中国科学家造出生命“光开关”，1秒钟红光照射，可达150倍以上基因表达效果

照射一束光，就能治好病？

这似乎是《西游记》等神话传说才会出现的情节。但是，华东师范大学生命科学学院副院长叶海峰团队，采用光遗传学的治疗手段，让这一设想成为可能[1]。

近些年，通过挖掘和设计光敏蛋白，科学家们构建出诸多光遗传学工具，并已用于肿瘤和代谢疾病治疗等领域。尽管光遗传学工具已有所发展，但要让一束光来治病，仍要攻克许多难题。

真正完美、且能用于临床应用的光遗传学工具，起码具备如下特征：

1、这种光能响应红光或远红光，具备较好的组织穿透能力，此外还得近乎 0 光毒性，并具备不错的体内应用潜能；

2、系统元件必须足够小，从而可被安全性较好的腺相关病毒包装递送，并能广泛用于基因治疗和基础医学研究；

3、必须灵敏度高，具体体现在光响应速度快，且能被随时关闭，此外还要具备较好的可逆性，可根据实际需要和应用场景做出灵活调节。

但是，此前并不存在可同时满足上述条件的光遗传学工具，这导致生物医学领域内的光遗传学应用，始终未能大范围普及。

比如，2017 年叶海峰课题组也曾出现一款红光系统，最快也得光照两个小时，才能诱导出足够的胰岛素表达量起到降血糖作用。

另据悉，相比蓝光和紫外光来说，远红光的好处在于，具有较强的组织透性。如果采用蓝光或紫外光，组织透性会很低，这时就很难完成小鼠体内的基因功能研究。

许多实验都需要基因敲除术，如果敲除掉某些致死基因，就会导致动物死亡，如此就无法进行相关基因功能研究。但是通过光控基因重组工具，就能以空间特异性的方式敲除靶基因，进而去研究基因的功能

基于此，叶海峰团队不禁自问，是否可以开发用于操控生命的光遗传学工具？

答案是肯定的，经过重重努力，他和团队研发出这款完全符合上述要求的光遗传学工具 REDMAP。

它具有灵敏度高、响应红光激活、模块小、远红光关闭等优点，不仅能操纵细胞基因表达，还能用于糖尿病治疗、细胞信号通路的控制、基因编辑等多领域。相比此前同类系统，这款系统更强大，只需几分钟的光诱导，即可起到降血糖作用。

10 月 4 日，相关论文以《一种用于哺乳动物应用的小而高度敏感的红/远红光遗传开关》（A small and highly sensitive red/far-redoptogenetic switch for applications in mammals）为题，发表在 Nature Biotechnology 上。该团队的两位博士生周阳和孔德强担任共同第一作者，叶海峰担任通讯作者。

研究中，该团队关注到一种植物拟南芥，别名鼠耳芥、阿拉伯草等。它的光敏蛋白PhyA（phytochrome A）在红光（660nm）照射下，能和伴侣蛋白 FHY1（far-red elongated hypocotyl 1）形成二聚体，进而能在远红光（730nm）照射下解离。

具体来说在黑暗状态下，光敏结构域 ΔPhyA-Gal4 存在于细胞质中。依靠光敏色素 PCB 的帮助，ΔPhyA-Gal4 能感受到 660nm 红光的外界信号，相关构像也可得到改变。

这时结合光依赖的转录激活子 FHY1-VP64，再将其转移到细胞核内，然后结合到其特异性识别的启动子，即可启动基因的转录翻译。在接受 730nm 远红光照射后，ΔPhyA 又恢复成原来的静默状态，并会和 FHY1 分开，从而终止基因表达。

基于这一特点，叶海峰等人设计出基于 PhyA-FHY1 的转录激活系统，然后将 PhyA 与 GAL4 的 DNA 结合域融合表达，再将 FHY1 和转录激活因子 VP64 融合表达。

这时，他们发现在红光刺激下，PhyA-GAL4 和 FHY1-VP64 可以结合并形成复合体，随后即可招募RNA聚合酶，借此即可启动下游基因的表达。

不过在一开始，完整的 PhyA 并没有激活下游基因的表达。为此，该团队做了相关工程改造，借助优化激活子和伴侣蛋白，终于研发出一款小模块、高灵敏度的光遗传学工具，由于它能响应红光，因此被命名为 REDMAP。据了解，这也是一种利用光来控制细胞信号通路的方法，可给基础研究提供便捷可控的方法。

研究中，该团队把 ΔPhyA 定位到细胞膜上，并将 FHY1 和 SOS 蛋白的激活域 SOScat 融合表达，然后用红光照射来控制 SOScat 的细胞定位，从而实现了 Ras/MAPK 信号通路的激活和去激活，最终构建出 REDMAP_SOS-Ras 这样一款工具。

另据悉，叶海峰和团队还构建出 REDMAP_Cas 工具，并把 REDMAP 系统与基因编辑工具 CRISPR-dCas9 相结合，借此可高效调控哺乳动物细胞、小鼠肝脏及肌肉内源基因转录。

针对 REDMAP 系统在基因治疗领域的能力，他们也做了探索。由于截短的 ΔPhyA 蛋白的尺寸较小，因此可用腺相关病毒包装。研究中，该团队把 REDMAP 包装至腺相关病毒（AAV2/8）中，并将其注射至小鼠体内，实现了三个月以上的光控基因表达

精准地控制治疗蛋白，对疾病治疗有着重要意义。为此，叶海峰等人将装载 REDMAP 系统的工程化细胞，移植到小鼠、大鼠和兔的皮下，借此探究该系统光响应能力。

结果显示，在 1-5 分钟短时间的光照内，就能诱导报告基因的高效表达。具来来说，在小鼠体内光照 1 分钟，在大鼠或兔子体内光照 5 分钟，就能让系统表达足够量的胰岛素。

随后，再对小鼠和大鼠体内胰岛素的表达进行光的精准控制，从而糖尿病小鼠和大鼠血糖稳态得以控制。

这意味着，受试动物无需每天定时服用****物或注射胰岛素，只需每天光照几分钟，即可实现显著降血糖的效果，这说明在精准可控的细胞治疗领域，REDMAP 系统的应用潜能极高。

总而言之，该 REDMAP 系统具有四大优点：

第一，超高灵敏度，只需要光照一秒钟便可诱导至少 150 倍的基因表达。

第二，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，分别在小鼠、大鼠、兔中实现高效光控基因表达。

第三，高度严谨性，光和色素小分子构成与门逻辑关系实现更严谨的双重控制。

第四，光控模块小。可通过腺相关病毒递送，在小鼠体内实现了长达三个月以上的基因表达控制。

在临床应用上的长远计划，叶海峰认为，通过光快速控制治疗****物的精准输出在代谢和肿瘤疾病的精准可控治疗中具有重要意义。

值得注意的是，该系统还有望用于其他疗法，例如 CAR-T 肿瘤免疫治疗的精准控制，即通过光来控制 CAR-T 细胞的活性。

它也可用于调控任何有治疗价值的基因编码蛋白类****物，例如各种酶类、激素类、抗体类、各种细胞因子等，从而让 REDMAP 成为一个“光控细胞****物工厂”，进而对细胞****物进行时空精准控制。

通过皮下移植方法，每天只需要几秒钟或几分钟光照时间，即可让活体细胞****物工厂释放治疗****物。

概括来说，叶海峰等人开发出一款小模块、高灵敏度、可逆性良好的光遗传学工具，给基础医学研究和转化医学研究，特别是给精准可控的基因治疗和细胞治疗领域，带来了一款强有力的新型控制系统。

未来，该团队将聚焦光控基因编辑、光控基因重组、光控细胞治疗等方向继续深入研究。

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