光可以控制基因开关

虽然人类基因组大约有两万多个基因，但是只有一小部分基因是持续进行转录和翻译的。这是根据细胞的状态决定的，而细胞的状态是随时变化的。研究人员希望寻找快速控制基因的开关，以探究基因的表达情况。

哈佛-麻省理工博德研究所（Broad Institute of MIT and Harvard）的研究人员，借助一项新技术找到了一个可以快速启动或者终止基因的表达的途径，那就是照射细胞的光。

这项工作是基于一项被称为光遗传学的技术进行的研究。光遗传学技术的原理是光可以改变光敏感蛋白质的功能。几乎就在光出现的同时，光敏感蛋白接收光信号，快速促进或者抑制基因的表达。

麻省理工学院脑认知方向的研究生 Silvana Konermann 表示：“基因表达是一个快速的动态过程，迄今为止， 用来干预基因表达的方法都是非动态的。如果要想更深入地了解基因表达的动态变化情况，就必须用一些与这个过程相符的动态的自然发生的手段干预基因的表达。”

如果能够精确地控制基因表达和持续的时间，就能了解某些特定基因的功能，尤其是那些参与学习和记忆的基因。其还能应用于表观遗传学修饰的研究。

目前这一研究在线刊登在了近期出版的《Nature》杂志上。该论文的资深作者是麻省理工学院麦戈文脑研究所的助理教授张锋，他同时也是布罗德研究所（Broad Institute）的核心成员。

光控开关

光控开关系统由几个相关联的部分构成，转录激活因子（TALE）， CRY2（一种光敏感蛋白）和 CIB1（ CRY2 的天然结合蛋白）。 DNA 结合蛋白 TALE 组合成特定的形式与 DNA 结合。 TALE 与 CRY2 融合在一起。当 CRY2 遇到光线，它就会改变结构与 CIB1 结合。这几部分协同作用，行使细胞的遗传指令——调控 DNA 转录成 mRNA 。

利用这一原理，研究人员将 CIB1 改造成可以与另外一个蛋白相结合的形式参与基因表达的调控。光开关系统进入细胞后， TALE 与目的 DNA 结合。当有光线照射到细胞时， CRY2 蛋白与原本游离在细胞中的 CIB1 相结合。 CIB1 携带的基因活化蛋白启动 DNA 的复制或者转录。或者， CIB1 携带的基因抑制蛋白抑制 DNA 的复制或者转录。

一个单一的光脉冲足以诱导蛋白结合，启动 DNA 复制和转录。研究人员发现，每分钟一次左右的光脉冲是实现连续转录最有效的频率。另外，连续给予30分钟的光脉冲，目的基因转录 mRNA 的水平显著增加，而光脉冲一旦停止， mRNA 的水平约在30分钟内开始下降。

研究人员通过对来自实验室培养的神经元和取自动物的细胞中的 30 个不同的基因进行研究发现，基因开关系统均可以使其转录水平增加。

斯坦福大学生物工程和光遗传学教授 Karl Deisseroth 说，该研究的创新点在于其光控开关系统控制的不是人工合成的基因，而是取自细胞的基因。基于这一技术，可以观测特定的基因在特定时间点的表达情况。

表观遗传学修饰

基因表达调控开关的另外一个作用就是研究表观遗传学修饰。表观遗传学一个重要的领域就是组蛋白的化学修饰。组蛋白可以与 DNA 结合在一起，控制相关基因的表达。研究人员发现可以通过 TALE 与组蛋白融合改变表观遗传学修饰。

表观遗传学修饰在学习和记忆形成过程中发挥了重要的作用，但是由于缺少有效的途径干预组蛋白的修饰，导致这一课题没有进一步深入研究。新技术的应用可以精确地干预单一基因的表达，从而给该课题的研究提供了可能性。

目前，研究人员已经证实，一些组蛋白的结构域可以与光敏感蛋白结合，他们正在扩充可以被应用到基因调控系统中的组蛋白修饰的类型。

该研究小组的成员 Mark Brigham 表示：“扩充可控的表观遗传学标记的数量是非常有用的，希望大家能将这一技术利用起来。”

尽管人类细胞中有着大约2万个基因，根据细胞的需要，在特定的时间只有一小部分的基因表达开启，且每时每刻都可能发生改变。要弄清楚这些基因的功能，研究人员需要一些工具以同样短的时间尺度来操控它们的状态。

现在，麻省理工学院和Broad研究所开发的一项新技术使这一切成为可能，只需用光照射细胞就能够快速地启动或终止任何目的基因的表达。这一研究成果发表在7月22日的《自然》（Nature）杂志上。

领导这一研究的是麻省理工学院生物医学工程学助理教授、McGovern 脑研究所及Broad 研究所核心成员张峰（Feng Zhang）博士。其目前的研究方向是设计新的分子工具来操控活体大脑。不久前他获得了美国生物医学瓦利基金青年研究家奖（Vallee Foundation Young Investigator Award）。

该研究工作是基于一项称之为光遗传学（optogenetics）的技术，其利用了可以响应光而改变功能的蛋白质。在这种情况下，研究人员采用光敏蛋白可在光亮后几乎即刻刺激或抑制特定靶基因的表达。

“细胞在相当短的时间内会发生非常动态的基因表达，然而到目前为止，研究人员所采用的那些扰乱基因表达的方法都无法追踪这样的动态。要更好地了解这些基因表达改变所造成的功能影响，我们必须要尽可能紧密地接近这些自然发生的动态，”论文的主要作者、麻省理工学院脑和认知科学研究生Silvana Konermann说。

能够精确地控制基因定时表达及持续的时间，可使人们更容易地弄清楚特定基因，尤其是那些与学习和记忆有关的基因的功能。此外，这一新系统还可用于研究表观遗传修饰——人们认为其在学习和记忆中也发挥了重要的作用。

用光照射基因 新系统由几个元件构成，它们彼此之间相互作用控制了DNA复制为信使RNA（mRNA）。第一个元件是称之为转录激活子样效应因子（transcription activator-like effector ,TALE)的DNA结合蛋白。TALEs是可以按定制方式组装到一起结合所有DNA序列的模块蛋白。

与TALE蛋白融合的是一种称作为CRY2的光敏蛋白，它自然存在于开花植物拟南芥中。当光照射CRY2时，它会改变形状，结合它的自然伙伴蛋白CIB1。为了利用它，研究人员操控将一种形式的CIB1与另一种或是激活或是抑制基因复制的蛋白融合到一起。

在将所有这些元件的基因传递到细胞中之后，TALE蛋白会找到它的靶DNA并结合它。当光照射细胞时，CRY2蛋白会结合漂浮在细胞中的CIB1。CIB1携带的是基因激活子，就会启动DNA复制为mRNA。携带的是基因抑制子，则会关闭这一过程。

一个光脉冲即足以刺激蛋白结合或启动DNA复制。研究人员发现每隔一分钟左右传递光脉冲可最有效率地获得持续期望时间的转录。在30分钟的光传递时间内，研究人员检测到靶基因生成的mRNA量上升。一旦脉冲停止，在大约30分钟内mRNA会开始降解。

在这项研究中，研究人员尝试靶向了实验室培养神经元及活体动物神经元中近30种不同的基因。根据靶向的基因以及它的正常表达量，研究人员将转录提升了2-200倍。

斯坦福大学生物工程学教授、光遗传学发明者之一Karl Deisseroth（未参与该研究）说，这项技术最重要的创新之处在于，不同于科学家们传递工程基因，它控制的是自然存在于细胞中的基因。

“你可以在精确的时间控制特定的遗传位点，以高时间精确度观察所有的事物如何做出反应，”Deisseroth说。

表观遗传修饰

基因表达控制的另一个重要元件是表观遗传修饰。组蛋白化学修饰是一类重要的表观遗传效应物。研究人员证实，他们还可以通过将TALE蛋白与组蛋白修饰因子相融合来改变这些表观遗传修饰。

人们认为表观遗传修饰在学习和记忆形成中发挥了关键的作用，然而由于缺乏好的方法来破坏这些修饰，尚未对这一机制进行深入地探索。新技术提供了一种更加精确的方法来改变个别基因的表观遗传修饰。

张峰说：“我们想让人们能够证明特定的表观遗传修饰在基因组中的因果作用。”

到目前为止，研究人员已经证实了一些组蛋白效应子结构域能够与光敏蛋白连接；他们现正致力扩大能够纳入到这一系统中去的组蛋白修饰子的类型。

“这对于扩大我们能够控制的表观遗传标记的数量非常有帮助。目前，我们已经成功获得了一组组蛋白修饰，但我们和其他研究人员还希望能够将这一技术应用于更多的组蛋白修饰，”Brigham说。

（生物通：何嫱）