返回頂部
“光控”在現(xiàn)實生活中慢慢普及，例如手機人臉識別解鎖、汽車霧燈自動開啟……
通過感光元器件實現(xiàn)對事物的控制，這次被光操控的是基因編輯。我國科學家的這一研究成果于7月11日發(fā)表在《科學》子刊《科學·進展》（Science Advances）上。
“LED發(fā)出的730nm的遠紅光可激活系統(tǒng)進行基因的編輯工作。”論文通訊作者、華東師范大學生命科學學院、醫(yī)學合成生物學研究中心研究員葉海峰對科技日報表示，有光的地方基因的“編輯”、“剪切”才會發(fā)生，可以理解為“指哪打哪”。
葉海峰研究員（左）為該研究論文的通訊作者，博士研究生于袁歡（右）為該研究論文的第一作者。
FAST系統(tǒng)“光啟”基因編輯
CRISPR-Cas9基因編輯技術(shù)近年來應(yīng)用廣泛，被形象地稱為“基因剪刀”，使得人類終于掌握了簡便可行的基因“操控術(shù)”。
然而，基因編輯仍處于“冷兵器時代”，人們想要更便捷地操控它，是否存在新的方式，讓人們按下“按鈕”就能啟動，再按一下就能關(guān)閉呢？尤其當基因編輯要走進臨床應(yīng)用，必須要具有靈活、高精度的操控方法才能更具安全性。
合成生物學家開始試著給細胞里的生化工廠“裝配元件”、“編寫程序”，推動基因編輯技術(shù)走進“自動化時代”。
“實現(xiàn)光控”需要在基因編輯前裝一個“光感裝置”用于“引爆”，這個裝置長什么樣子？有哪些零件？
在紅細菌中有一種蛋白BphS，在接收到遠紅光的信號后就會被激活，釋放一個信號。而在放線菌里有一種蛋白BldD，接收到這個信號就能去結(jié)合DNA序列。
“我看到這個信息的時候，覺得非常興奮。前一種蛋白讓光和生物體‘接上頭’，后一種蛋白又‘鏈接’上了DNA?！比~海峰說，這種“跨界打通”意味著有很多工作可做，因為只要信號能傳導到DNA，就能推進生物學的操控。
葉海峰團隊以放線菌中的BldD蛋白為基礎(chǔ)，將其親和DNA序列與哺乳動物的轉(zhuǎn)錄激活子融合，創(chuàng)制了一個雜交型的轉(zhuǎn)錄激活子，這一開關(guān)成為按下“啟動鍵”的關(guān)鍵元件。
這一元件的前方前置了光敏蛋白，接收光信號；后方連接上“基因剪刀”Cas9核酸酶。這個巧妙的設(shè)計使得整個系統(tǒng)只有感光后，才能夠啟動基因編輯。光控基因編輯的圖紙就此設(shè)計完成。
一波三折
科研探索“峰回路轉(zhuǎn)”
理論“圖紙”和關(guān)鍵元器件都已準備就緒，葉海峰團隊開始用合成生物學的方法按照圖紙對這些關(guān)鍵元器件進行組裝。
令人意想不到的是，在細胞水平的驗證中，基因編輯并沒有因為光的有無而產(chǎn)生明顯的變化，遠紅光照射沒能刺激Cas9核酸酶的高量表達，熄滅光源也沒阻止基因編輯工作。
問題出在了哪里？按照圖紙設(shè)計，整個流程應(yīng)該是無懈可擊的。
葉海峰百思不得其解?！斑@一研究工作我們持續(xù)推進了5年，有的關(guān)鍵性問題如果不能解決將耽誤整個研究的進展?！比~海峰說，合成生物學要在活體內(nèi)運轉(zhuǎn)，會有很多無法排查的意外。它不像編程，跑一遍會有糾錯，或者至少會提示哪個部分出現(xiàn)“BUG”。
這次的“BUG”出現(xiàn)在哪里？啟動基因的工作被相繼驗證，2017年、2018，葉海峰課題組在《科學·轉(zhuǎn)化醫(yī)學》《美國科學院院刊》相繼發(fā)表論文，證明了遠紅光調(diào)控轉(zhuǎn)基因表達控制系統(tǒng)的可行性以及基因編輯CRISPR-dCas9酶的轉(zhuǎn)錄激活都是可行的。
“我們試驗了各種方案，但整個系統(tǒng)的運行卻都失敗了。”葉海峰說，這個結(jié)果意味著需要對策略進行根本性的調(diào)整。
直到有一天，葉海峰在《自然》子刊（Nature Biotechnology)上看到一篇張鋒（基因編輯技術(shù)發(fā)明人之一）的文章，上面說基因編輯的Cas9蛋白可以一拆而二，拆開來之后的兩半再合起來也是有功能的。
“受到這樣的啟發(fā)，我們就想我們可不可以就把它拆成兩半，一半是連續(xù)的強表達（自始至終一直表達），另一半用光驅(qū)動調(diào)控來表達。”葉海峰說，就像“鑰匙”的兩半拼在一起才能開鎖一樣。
“拼”這個動作又要怎么自動實現(xiàn)呢？葉海峰想到了熱纖維梭菌中的一對能夠自發(fā)相互結(jié)合的蛋白Coh2和DocS。讓它們加入進來，分別與Cas9的兩部分融合，Coh2和DocS就會像“磁石”一樣，將Cas9的兩部分拼裝成完整、有功能的完整Cas9核酸酶。
“究竟是哪一半用光來調(diào)控誘導表達，都是有說法的。”葉海峰回憶，課題組對多種情況進行了試驗，至少進行了上百種不同序列的驗證，以尋找最佳光控基因編輯效果。
“我們還對整個系統(tǒng)進行了優(yōu)化，例如質(zhì)粒的濃度配比，核輸入信號和核輸出信號的選擇及組合等，并在細胞水平進行了測試?！比~海峰說，經(jīng)過嚴謹?shù)膬?yōu)化，實驗結(jié)果最終令人滿意，并將其命名為“FAST系統(tǒng)”。
研究結(jié)果顯示，F(xiàn)AST系統(tǒng)在LED發(fā)射的低強度遠紅光照射下可以誘導細胞內(nèi)的基因編輯，而在黑暗情況下保持“靜默”的效果也很好。
進一步地研究表明，F(xiàn)AST系統(tǒng)在多種細胞中均顯示出可調(diào)控的基因編輯效果，并具有很好的光照強度和時間依賴性，以及高度的時空特異性，為研究FAST系統(tǒng)在動物體內(nèi)的可調(diào)控基因編輯能力奠定了基礎(chǔ)。
“我們至今也不太清楚為什么直接調(diào)控表達完整Cas9核酸酶的系統(tǒng)不成功?！比~海峰說，不按程序走，這就是生命科學的神奇之處，而合成生物學正是在破解這些意外中積累起來，最終解決更大的科學命題。
FAST系統(tǒng)“打怪升級”
走進腫瘤BOSS不簡單
生命體是復雜的，在細胞水平運轉(zhuǎn)良好的系統(tǒng)在活體中能不能工作，仍面臨著重重挑戰(zhàn)。為此，在進行了細胞驗證后，研究者還進行了轉(zhuǎn)基因報告模型小鼠和腫瘤模型小鼠的驗證工作。
“讓整個系統(tǒng)在活體中工作，會遇到新的問題，比如遞送的問題?！比~海峰解釋，F(xiàn)AST系統(tǒng)由好幾個質(zhì)粒組成，它們進入細胞比較簡單，但能不能突破重重阻礙進入到組織細胞里面呢？比如怎么高效遞送到肝臟里面，怎么高效的遞送到腫瘤組織里面，這就需要借助于遞送系統(tǒng)，而且遞送的效率直接決定整個系統(tǒng)的工作效率。
“研究推進時，遞送技術(shù)是又一個難題，我們最初直接通過靜脈注射，效果卻不是那么好。”葉海峰說，“細胞中工作的質(zhì)粒在進入活體的時候受到了阻礙，因為整個系統(tǒng)承載的元件太多，所有元件同時遞送的效率不能保證，且質(zhì)粒會被機體認為是外來物而被清除掉?！?/p>
想進入活體，整個系統(tǒng)還需要再調(diào)整?！斑@就好比原來坐的卡車太大了、目標明顯，需要換乘一個‘特洛伊木馬’潛進去?！比~海峰說。
研究團隊后來在伙伴團隊的幫助下，使用另一種更小的、并能夠整合進細胞里的質(zhì)粒進行系統(tǒng)的遞送工作。實驗結(jié)果中，轉(zhuǎn)基因報告的小鼠在肝臟部位顯示出了基因編輯的報告情況，表明小鼠肝臟細胞中DNA可通過光控編輯。
實體瘤是比組織器官更致密的組織，進入其中則需要進一步升級“遞送系統(tǒng)”。
“為了把FAST系統(tǒng)高效遞送到腫瘤組織細胞里面，我們用了一個以納米技術(shù)合成的遞送材料，材料是浙江大學合作團隊提供的，他們是專門做 DNA分子遞送的，最終實現(xiàn)了整個系統(tǒng)向腫瘤組織的高效遞送。”葉海峰說。
在腫瘤模型小鼠中的驗證結(jié)果顯示，將FAST系統(tǒng)遞送至小鼠體內(nèi)的腫瘤中，通過遠紅光LED的照射使得FAST系統(tǒng)切割腫瘤致癌基因即可顯著抑制腫瘤的生長。
再好的技術(shù)只有走進應(yīng)用才能實現(xiàn)價值?！爸韵Ｍ麑崿F(xiàn)光控，初心就是希望推進廣泛的應(yīng)用。”葉海峰說，實驗也證明了遠紅光可以透過小鼠的皮膚進入到小鼠的肝臟內(nèi)部，甚至進入到實體瘤內(nèi)部。這意味著FAST系統(tǒng)有希望在真實世界得到應(yīng)用，也有疾病治療的應(yīng)用潛力。
葉海峰表示，團隊仍在進一步優(yōu)化光控基因表達系統(tǒng)，例如現(xiàn)在的光控系統(tǒng)需要光照射2小時才能工作，而未來可以實現(xiàn)照射幾秒就能產(chǎn)生效果。（記者張佳星）
