華人科學家Nature操控基因表達的新技術

　　盡管人類細胞中有著大約2萬個基因，根據細胞的需要，在特定的時間只有一小部分的基因表達開啟，且每時每刻都可能發生改變。要弄清楚這些基因的功能，研究人員需要一些工具以同樣短的時間尺度來操控它們的狀態。

　　現在，麻省理工學院和Broad研究所開發的一項新技術使這一切成為可能，只需用光照射細胞就能夠快速地啟動或終止任何目的基因的表達。這一研究成果發表在7月22日的《自然》(Nature)雜志上。

　　領導這一研究的是麻省理工學院生物醫學工程學助理教授、McGovern 腦研究所及Broad 研究所核心成員張峰(Feng Zhang)博士。其目前的研究方向是設計新的分子工具來操控活體大腦。不久前他獲得了美國生物醫學瓦利基金青年研究家獎(Vallee Foundation Young Investigator Award)。

　　該研究工作是基于一項稱之為光遺傳學(optogenetics)的技術，其利用了可以響應光而改變功能的蛋白質。在這種情況下，研究人員采用光敏蛋白可在光亮后幾乎即刻刺激或抑制特定靶基因的表達。

　　“細胞在相當短的時間內會發生非常動態的基因表達，然而到目前為止，研究人員所采用的那些擾亂基因表達的方法都無法追蹤這樣的動態。要更好地了解這些基因表達改變所造成的功能影響，我們必須要盡可能緊密地接近這些自然發生的動態，”論文的主要作者、麻省理工學院腦和認知科學研究生Silvana Konermann說。

　　能夠精確地控制基因定時表達及持續的時間，可使人們更容易地弄清楚特定基因，尤其是那些與學習和記憶有關的基因的功能。此外，這一新系統還可用于研究表觀遺傳修飾——人們認為其在學習和記憶中也發揮了重要的作用。

　　用光照射基因

　　新系統由幾個元件構成，它們彼此之間相互作用控制了DNA復制為信使RNA(mRNA)。第一個元件是稱之為轉錄激活子樣效應因子(transcription activator-like effector ,TALE)的DNA結合蛋白。TALEs是可以按定制方式組裝到一起結合所有DNA序列的模塊蛋白。

　　與TALE蛋白融合的是一種稱作為CRY2的光敏蛋白，它自然存在于開花植物擬南芥中。當光照射CRY2時，它會改變形狀，結合它的自然伙伴蛋白CIB1。為了利用它，研究人員操控將一種形式的CIB1與另一種或是激活或是抑制基因復制的蛋白融合到一起。

　　在將所有這些元件的基因傳遞到細胞中之后，TALE蛋白會找到它的靶DNA并結合它。當光照射細胞時，CRY2蛋白會結合漂浮在細胞中的CIB1。CIB1攜帶的是基因激活子，就會啟動DNA復制為mRNA。攜帶的是基因抑制子，則會關閉這一過程。

　　一個光脈沖即足以刺激蛋白結合或啟動DNA復制。研究人員發現每隔一分鐘左右傳遞光脈沖可最有效率地獲得持續期望時間的轉錄。在30分鐘的光傳遞時間內，研究人員檢測到靶基因生成的mRNA量上升。一旦脈沖停止，在大約30分鐘內mRNA會開始降解。

　　在這項研究中，研究人員嘗試靶向了實驗室培養神經元及活體動物神經元中近30種不同的基因。根據靶向的基因以及它的正常表達量，研究人員將轉錄提升了2-200倍。

　　斯坦福大學生物工程學教授、光遺傳學發明者之一Karl Deisseroth(未參與該研究)說，這項技術最重要的創新之處在于，不同于科學家們傳遞工程基因，它控制的是自然存在于細胞中的基因。

　　“你可以在精確的時間控制特定的遺傳位點，以高時間精確度觀察所有的事物如何做出反應，”Deisseroth說。

　　表觀遺傳修飾

　　基因表達控制的另一個重要元件是表觀遺傳修飾。組蛋白化學修飾是一類重要的表觀遺傳效應物。研究人員證實，他們還可以通過將TALE蛋白與組蛋白修飾因子相融合來改變這些表觀遺傳修飾。

　　人們認為表觀遺傳修飾在學習和記憶形成中發揮了關鍵的作用，然而由于缺乏好的方法來破壞這些修飾，尚未對這一機制進行深入地探索。新技術提供了一種更加精確的方法來改變個別基因的表觀遺傳修飾。

　　張峰說：“我們想讓人們能夠證明特定的表觀遺傳修飾在基因組中的因果作用。”

　　到目前為止，研究人員已經證實了一些組蛋白效應子結構域能夠與光敏蛋白連接;他們現正致力擴大能夠納入到這一系統中去的組蛋白修飾子的類型。

　　“這對于擴大我們能夠控制的表觀遺傳標記的數量非常有幫助。目前，我們已經成功獲得了一組組蛋白修飾，但我們和其他研究人員還希望能夠將這一技術應用于更多的組蛋白修飾，”Brigham說。