新技术使研究人员可以用光控制基因

麻省理工学院和布罗德研究所的一组研究人员已经开发了基于光遗传学的新技术，该技术使科学家可以通过简单地将光照射到细胞上来启动或停止任何基因的表达。

尽管人类细胞中估计有20,000个基因，但在任何给定时间，只有一小部分被打开，具体取决于细胞的需求-可能每分钟或一小时变化一次。为了弄清楚那些基因在做什么，研究人员需要能够在相似的短时间尺度上操纵其状态的工具。

现在，这是有可能的，这要归功于麻省理工学院和Broad Institute开发的一项新技术，只需将光照射到细胞上，它就能迅速启动或停止任何目的基因的表达。

这项工作是基于一种称为光遗传学的技术，该技术使用的蛋白质会响应光而改变其功能。在这种情况下，研究人员使光敏蛋白适应了光刺激后几乎立即刺激或抑制特定靶基因表达的问题。

“细胞在非常短的时间内就发生了非常动态的基因表达，但是到目前为止，用于干扰基因表达的方法甚至还不能接近这些动态。为了更好地理解这些基因表达变化的功能影响，我们必须尽可能接近自然发生的动力学变化。”麻省理工学院的大脑和认知科学研究生Silvana Konermann说。

精确控制基因表达的时间和持续时间的能力应该使弄清特定基因的作用变得更加容易，特别是那些参与学习和记忆的基因。新系统还可以用于研究表观遗传修饰-围绕DNA的蛋白质的化学改变-也被认为在学习和记忆中起着重要作用。

Konermann和Mark Brigham是哈佛大学的研究生，他们是7月22日在线版《自然》杂志上描述该技术的论文的主要作者。该论文的资深作者是张峰（W.M.凯克（Keck）是麻省理工学院生物医学工程学的助理教授，是Broad研究所和MIT的McGovern脑科学研究所的核心成员。

照亮基因

这个新系统由相互影响以控制DNA复制到信使RNA（mRNA）的几个组件组成，信使RNA携带遗传指令到细胞的其余部分。第一种是被称为转录激活因子样效应物（TALE）的DNA结合蛋白。TALE是模块化蛋白质，可以定制方式串在一起以结合任何DNA序列。

与TALE蛋白融合在一起的是一种名为CRY2的光敏蛋白，该蛋白天然存在于拟南芥（一种小型开花植物）中。当光线照射到CRY2时，它会改变形状并与其天然伴侣蛋白CIB1结合。为了利用这一优势，研究人员设计了一种CIB1形式，将其与可以激活或抑制基因复制的另一种蛋白融合。

这些成分的基因传递到细胞后，TALE蛋白找到其靶DNA并包裹在其周围。当光照射到细胞上时，CRY2蛋白与漂浮在细胞中的CIB1结合。CIB1带有一个基因激活剂，可启动转录或将DNA复制到mRNA中。另外，CIB1可以携带一个阻遏物，从而终止该过程。

单个光脉冲足以刺激蛋白质结合并启动DNA复制。研究人员发现，每分钟左右发出的光脉冲是在所需时间段内实现连续转录的最有效方法。在光传输后的30分钟内，研究人员检测到了从靶基因产生的mRNA量的增加。一旦脉冲停止，mRNA将在约30分钟内开始降解。

在这项研究中，研究人员尝试针对实验室中生长的神经元和活体动物中的近30种不同基因。根据目标基因及其正常表达量，研究人员能够将转录提高2到200倍。

斯坦福大学生物工程学教授，光遗传学的发明者之一卡尔·戴瑟洛斯（Karl Deisseroth）说，这项技术最重要的创新在于，它可以控制细胞中天然存在的基因，而不是科学家提供的工程基因。

“您可以在精确的时间控制一个特定的遗传基因座，并以高度的时间精度查看一切对它的反应，”不属于研究团队的Deisseroth说。

表观遗传修饰

基因表达控制的另一个重要因素是表观遗传修饰。表观遗传效应子的主要一类是蛋白质的化学修饰，称为组蛋白，可固定染色体DNA并控制对基本基因的访问。研究人员表明，他们还可以通过将TALE蛋白与组蛋白修饰剂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形成记忆中起着关键作用，但是由于没有好的方法可以破坏修饰，而不能阻止整个基因组的组蛋白修饰，因此表观遗传修饰尚未得到很好的研究。这项新技术提供了一种更精确的方法来干扰个体基因的修饰。

“我们希望让人们证明基因组中特定表观遗传修饰的因果作用，”张说。

到目前为止，研究人员已经证明，某些组蛋白效应子域可以与光敏蛋白束缚在一起。他们现在正在尝试扩展可合并到系统中的组蛋白修饰剂的类型。

“扩大我们可以控制的表观遗传标记的数量将非常有用。目前，我们已经成功完成了组蛋白修饰，但还有很多我们和其他人希望能够使用该技术的修饰，” Brigham说。

这项研究是由休伯特·舒梅克研究金资助的；美国国立卫生研究院（NIH）转化R01奖；美国国立卫生研究院主任先锋奖；凯克（Keck），麦克奈特（McKnight），瓦利（Vallee），达蒙·鲁尼翁（Damon Runyon），塞尔学者（Searle Scholars），克林根斯坦（Klingenstein）和西蒙斯（Simons）基金会；还有鲍勃·梅特卡夫和简·保利。

出版物：Silvana Konermann等人，“哺乳动物内源转录和表观遗传状态的光学控制”，《自然》（2013年）； doi：10.1038 / nature12466

图像：麻省理工学院新闻办公室

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