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每天光照1分钟可让糖尿病小鼠降血糖,上海科学家开发出新一代光遗传学工具
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来源:上观新闻 作者:黄海华 2021-10-08 17:05
摘要:用一束光来治疗疾病?

无需每天定时服用药物或注射胰岛素,只需每天光照1分钟即可让糖尿病小鼠显著降血糖。

这得益于华东师范大学生命科学学院、上海市调控生物学重点实验室叶海峰研究团队开发的新型光遗传学工具。日前,国际生物技术领域顶级期刊《自然·生物技术》在线发表了这一成果。

【不可思议的治疗手段】

用一束光来治疗疾病?听上去不可思议,但光遗传学的出现,使其成为可能。

光遗传学技术具有远程无痕、时空特异性精准控制的优势,尤其在精准可控的基因治疗和细胞治疗领域具有重要意义。

然而,要真正实现利用一束光来治疗疾病仍需克服许多问题。一个堪称“完美”的光遗传学工具至少需要满足以下几点:第一,响应红光或远红光,这种光具有良好的组织穿透能力且几乎不存在光毒性,具有较好的体内应用潜能;第二,系统元件小,才能被载体包装;第三,灵敏度高、光响应速度快且可以被随时关闭,具有较好的可逆性,可根据实际需要和应用场景灵活调节。之前的光遗传学工具均无法同时满足上述条件,大大限制了光遗传学在生物医学领域的应用。

【“沉睡”还是“醒来”,皆可控】

叶海峰课题组将目光放在了来自植物拟南芥的光敏蛋白上,并对其进行了工程改造。黑暗情况下,光敏蛋白在细胞中“沉睡”,660纳米的红光可“唤醒”光敏蛋白,使其招募伴侣蛋白,并结合到其特异性识别的启动子上,从而启动目标基因转录;当接收到“沉睡”信号,即730纳米的远红光照射时,光敏蛋白会与其伴侣蛋白解离,终止基因转录。


新型光遗传学工具光照小鼠、大鼠、兔示意图。  叶海峰课题组提供

这一新型光遗传学工具有着四大优点:超高灵敏度,只需要光照一秒钟,便可诱导一百五十倍的基因表达;超高可控性,可通过红光/远红光照射,快速激活或关闭光控系统,已分别在小鼠、大鼠、兔中实现高效的光控基因表达;高度严谨性,只有当光和色素小分子同时存在,才能激活光控开关,相当于两把“钥匙”同时开一个“锁”;光控模块小,可通过载体递送,在小鼠体内实现了长达三个月以上的基因表达控制。

研究者还展示了该系统的多个应用场景,通过光控制活性蛋白的定位,调控细胞信号通路的激活与抑制;与基因编辑工具结合在一起,实现了对哺乳动物细胞、小鼠肝脏及肌肉内源基因转录的高效调控;在糖尿病小鼠和大鼠模型中,每天仅需光照一分钟或五分钟便可实现降血糖。这充分表明了这一新型光遗传学工具在精准可控的细胞治疗领域具有极高的应用潜能。

栏目主编:黄海华 文字编辑:黄海华 题图来源:图虫创意 图片编辑:项建英
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