加州大學(xué)舊金山分校的科學(xué)家發(fā)明了一種技術(shù)，通過(guò)在藍(lán)光照射下將它們分開(kāi)，可以精確地，可逆地破壞特定細(xì)胞蛋白在微觀尺度上的作用。研究人員設(shè)想了該技術(shù)在細(xì)胞生物學(xué)研究中的大量應(yīng)用。

“后基因組時(shí)代的一個(gè)挑戰(zhàn)是弄清楚特定蛋白質(zhì)在細(xì)胞中的作用，以及它們何時(shí)何地發(fā)揮作用，這是基因敲除無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，”Torsten Wittmann博士，教授說(shuō)。在加州大學(xué)舊金山分校牙科學(xué)院的細(xì)胞和組織生物學(xué)系。“在這里，我們展示了一種在活細(xì)胞內(nèi)急劇，局部和可逆地滅活特定蛋白質(zhì)的新方法，應(yīng)該能夠解決許多這些問(wèn)題。”

在2018年1月29日發(fā)表在Nature Cell Biology上的一篇新論文中，Wittmann的團(tuán)隊(duì)使用這種新工具首次證明癌細(xì)胞遷移取決于細(xì)胞動(dòng)態(tài)骨架成分(稱為微管)的生長(zhǎng)能力在細(xì)胞運(yùn)動(dòng)的方向上，這一發(fā)現(xiàn)對(duì)科學(xué)家對(duì)細(xì)胞遷移的理解有潛在影響，并有可能開(kāi)發(fā)出阻斷癌癥轉(zhuǎn)移的新療法。

近年來(lái)，生物學(xué)家開(kāi)發(fā)了許多工具，允許他們用光來(lái)操縱細(xì)胞。這些技術(shù)統(tǒng)稱為“光遺傳學(xué)”，最初涉及將特定的光敏蛋白質(zhì)遺傳引入腦細(xì)胞，讓研究人員用光激活細(xì)胞。相比之下，新的光滅活技術(shù)讓研究人員可以在任何類型的細(xì)胞中對(duì)大量不同的蛋白質(zhì)進(jìn)行光敏感，并允許它們?cè)趪?yán)格控制的細(xì)胞區(qū)域內(nèi)快速切換蛋白質(zhì)的功能。使其成為推動(dòng)我們細(xì)胞生物學(xué)知識(shí)的極其強(qiáng)大的工具。

新技術(shù)依賴于一對(duì)叫做LOV2和Zdk1的蛋白質(zhì)，它們?cè)诤诎抵薪Y(jié)合在一起，但在暴露在藍(lán)光下時(shí)像一對(duì)樂(lè)高積木一樣分開(kāi)。(LOV2來(lái)自燕麥植物，它涉及向光性 - 植物向光源生長(zhǎng)的能力。)通過(guò)將這兩種蛋白質(zhì) - 研究人員稱之為“光失活元素” - 插入其中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)位點(diǎn)。通過(guò)基因工程研究更大的蛋白質(zhì)，研究人員可以將蛋白質(zhì)分成兩部分，并在暴露于藍(lán)光時(shí)變得不活躍。

在這篇新論文中，該研究的第一作者，博士后研究員Jeffrey van Haren博士使用該技術(shù)研究了微管在細(xì)胞移動(dòng)能力中的作用。在小細(xì)胞肺癌細(xì)胞中，研究小組將LOV2和Zdk1插入到蛋白質(zhì)EB1中，這是微管生長(zhǎng)的重要調(diào)節(jié)因子，并表明用藍(lán)光照射細(xì)胞的任何部分都可以在照射區(qū)域內(nèi)在幾秒鐘內(nèi)減緩微管的生長(zhǎng)(見(jiàn)視頻)。當(dāng)燈關(guān)閉時(shí)，EB1分子也在幾秒鐘內(nèi)回到一起，并使微管生長(zhǎng)恢復(fù)正常。

Wittmann說(shuō)，以前，該領(lǐng)域曾將細(xì)胞肌肉肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架視為細(xì)胞遷移的關(guān)鍵因素，但是UCSF團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)它們可以通過(guò)阻止細(xì)胞生長(zhǎng)到遷移細(xì)胞的前沿來(lái)逆轉(zhuǎn)細(xì)胞的方向。在這一發(fā)現(xiàn)的戲劇性展示中，研究人員表明，他們可以通過(guò)在虛擬的光籠中圍繞它來(lái)完全捕獲遷移的癌細(xì)胞。

“我們相信這種策略對(duì)于產(chǎn)生許多其他光滅活蛋白很有用，”Wittmann說(shuō)。“很多細(xì)胞蛋白質(zhì)是模塊化的，與由非結(jié)構(gòu)化的接頭一起束縛大折疊結(jié)構(gòu)域。通過(guò)代替這些接頭的插入光滅活元件，我們應(yīng)該能夠作出任何此類蛋白質(zhì)敏感的光”。

Wittmann將新光滅活技術(shù)的速度和可逆性與現(xiàn)有的基因敲除方法進(jìn)行了對(duì)比，其中研究人員從細(xì)胞或整個(gè)動(dòng)物中消除特定基因，以研究它們產(chǎn)生的蛋白質(zhì)的功能。但研究人員認(rèn)為，在這些實(shí)驗(yàn)中蛋白質(zhì)水平可能需要數(shù)天或數(shù)周才能改變，Wittmann說(shuō)，這可能會(huì)讓細(xì)胞有時(shí)間適應(yīng)并改變它們對(duì)這些遺傳操作的反應(yīng)。

“照片失活讓我們能夠?qū)崟r(shí)關(guān)閉活細(xì)胞中的蛋白質(zhì)，并且比以前更加空間準(zhǔn)確，”Wittmann說(shuō)。“我希望這成為任何有興趣了解這些微小分子機(jī)器如何使我們體內(nèi)每個(gè)細(xì)胞發(fā)揮作用的人的關(guān)鍵工具。”