“諾獎風向標”拉斯克獎揭曉，光遺傳學會不會獲諾獎？

北京時間2021年9月25日零點，有 “諾獎風向標” 之稱的拉斯克獎（the Lasker Awards）公布，三位在光遺傳學領域作出重要貢獻的科學家獲得阿爾伯特·拉斯克基礎醫學研究獎。

獲獎理由：

發現了可以激活或沉默單個腦細胞的光敏微生物蛋白，并將其用于開發光遺傳學——神經科學領域的一項革命性技術。

根據拉斯克獎官網介紹，三位獲獎人的具體貢獻分別是：

迪特爾·奧斯特黑爾特（Dieter Oesterhelt），發現了一種古細菌蛋白質，它可以在光照條件下將質子泵出細胞；

彼得·黑格曼（Peter Hegemann），在單細胞藻類中發現了相關的通道蛋白；

卡爾·代塞爾羅思（Karl Deisseroth），利用這些分子創建了光觸發系統，這些系統可以在活的、自由移動的動物身上使用，以理解在迷宮一般的腦回路中特定類別乃至一類神經元的作用。

大腦是人最復雜的器官，人的感覺、記憶、思考、運動等諸多生理活動，以及各種神經系統疾病都與神經元的功能息息相關。多年以來，理解各種神經元的具體功能一直是神經生物學的中心研究領域。 

特異性地控制神經元活動對神經生物學家具有無法抵擋的吸引力。如果能特異性地激活一類神經元，那么就可以通過觀察激活后的生理現象來推測其功能。同理，如果能特異性地抑制一類神經元，則可以推測這類神經元對哪些生理活動是必須的。 

神經生物學家們嘗試過各種方法來達到這個目標。比如，用微電極來刺激神經元，或者使用化學物質來模擬或者拮抗神經遞質。但這些方法都有難以克服的缺陷：微電極控制的精度不夠，比如不能特異性地控制一類神經元；化學物質控制神經元的速度難以控制，很難在毫秒級別進行操作。 

紫色的膜與光傳感器

1969 年，29歲的青年化學家迪特爾·奧斯特黑爾特（Dieter Oesterhelt，1940年-）從德國慕尼黑大學學術休假，來到了美國加州大學舊金山分校電子顯微鏡專家沃爾瑟·斯托克尼烏斯（Walther Stoeckenius，1921年7月3日-2013年8月12日）的實驗室。

當時，斯托克尼烏斯正在研究一種可以在高鹽環境中生存的古細菌的細胞膜，這種微生物現在被稱作鹽生鹽桿菌（Halobacterium salinurum）。在這次合作中，奧斯特黑爾特證實鹽生鹽桿菌的細胞膜中紫色的組分含有視黃醛。隨后，他和斯托克尼烏斯確定了古細菌中的一種蛋白質，并將其命名為細菌視紫紅質（bacteriorhodopsin）。1971 年，他們提出細菌視紫紅質起到了光傳感器或光感受器的作用。

回到德國后，奧斯特黑爾特和斯托克尼烏斯繼續合作這一研究。奧斯特黑爾特發現，細菌視紫紅質可以將質子泵出細胞。這個神奇蛋白質，像是一個微型光能發電機，能吸收光子的能量，用這些能量把質子泵到細胞的外面，從而進一步轉化為細菌所需的能量。

后來，科學家們發現了另外一種含視黃醛的光激活泵——鹵化視紫紅質（halorhodpsin），可以將氯離子輸送到細胞中。這兩種物質的發現和對其生物物理、結構和遺傳學的研究，為光遺傳學的發展提供了基礎性的見解。

20世紀80年代，彼得·黑格曼在位于慕尼黑的馬克思·普朗克生物化學研究所攻讀博士學位。他的導師正是發現細菌視紫紅質的迪特爾·奧斯特黑爾特。

黑格曼的博士論文，研究的是來自另一種細菌的視紫紅質——鹵化視紫紅質（halorhodopsin）。

鹵化視紫紅質存在于一種耐鹽古細菌中，其利用光能將其生活的高鹽度環境中的氯離子排出體外。黑格曼首先通過生物化學技術分離提純了這一蛋白。

此時，剛剛在法蘭克福的馬克思·普朗克生物物理研究所建立自己實驗室的恩斯特·班貝格（Ernst Bamberg）參與了進來，他通過構建體外系統來研究黑格曼所提純出的halorhodopsin的電化學特性。

1984年獲得博士學位后，黑格曼來到美國雪城大學的肯·福斯特（Kenneth Foster）的實驗室從事博士后研究。

福斯特研究的是另一種對光敏感的微生物：單細胞綠藻。這些單細胞的藻類具有趨光性，能夠揮舞鞭毛向著有光的方向游去（它們需要光進行光合作用）。福斯特認為，單細胞綠藻也可能使用某種視紫紅質作為它們的眼睛，從而得知光亮的方向，并且能驅動鞭毛游往有光的地方。

1986年，黑格曼回到普朗克生物化學研究所建立起自己的實驗室，開始潛心研究萊茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii，一種微小的綠藻）趨光性行為。

1991年，黑格曼發現，萊茵衣藻的光受體也是一種視紫紅質，但它的工作方式與之前發現的各種視紫紅質都不一樣。衣藻視紫紅質的光照之后會引起鈣離子流入細胞中，從而引起的電流能夠激發鞭毛的運動，他稱之為光電流（photocurrent）。

人眼中的視紫紅質感光之后也會產生光電流，通過神經傳遞到大腦之后就形成了視覺。人眼中視紫紅質引起光電流需要經過細胞內一系列蛋白的信號傳導，而黑格曼發現衣藻視紫紅質產生光電流的速度比人眼中的視紫紅質快得多。據此他大膽地推測：衣藻視紫紅質本身可能就是一個可以作為電流開關的離子通道。

然而，此后的十年里，黑格曼使盡各種辦法，也無法像當初分離提純一樣分離鹵化視紫紅質提純出衣藻視紫紅質，來驗證他的猜想。

隨著分子生物的發展，2001年，黑格曼和其他科學家通過測序衣藻的基因組發現了兩個新的光受體基因。

為了證明它們究竟是不是苦苦追尋十余年的衣藻視紫紅質，黑格曼找到了當初和合作研究鹵化視紫紅質電化學特性的班貝格。

此時的班貝格已經是普朗克生物物理研究所的所長。此前的1995年，班貝格就和普朗克生物物理研究所的科學家格奧爾格·納格爾（Georg Nagel）將細菌視紫紅質表達在動物細胞中，使得動物細胞在受到光照時產生光電流。

2003年，從黑格曼那里得到光受體基因后，班貝格和納格爾用同樣的方法成功地在動物細胞中表達了衣藻視紫紅質蛋白，從而發現只要有這個蛋白單獨存在，就能產生光電流，使陽離子流入細胞中，造成細胞去去極化。他們的結果終于證明黑格曼的假說：衣藻視紫紅質是一個能被光所打開的陽離子通道。

從前人們知道，特定的化學分子，或者電壓的變化，或者機械力的變化可以開關特定的離子通道，而能被光直接控制的離子通道還是第一次被發現，于是他們把衣藻視紫紅質命名為視紫紅質通道蛋白（Channelrhodopsins，ChR1）。這個詞由離子通道（Channel）和視紫紅質（Rhodopsin）組合而成。

他們還在爪蟾的卵細胞中表達了這種蛋白，發現光照可以引起細胞的靜息電位發生變化。這項開創性的工作發表在了2002年6月的 Science 上。 

2003年，納格爾和黑格曼又發現了一個新的通道蛋白——ChR2。這一次，他們不但做了更深入的機制研究，而且把ChR2首次在人的細胞（HEK）中表達。作者在文章結論中寫道：“ChR2能夠成為控制細胞內鈣離子濃度或者細胞膜極化水平的有用工具，特別是在哺乳動物細胞中”。

ChR1和ChR2的發現，讓一些神經生物學家眼前一亮——這或許就是使用光來控制神經元的理想介質。而光遺傳學的大門從這里也正式開啟了。

視紫紅質通道蛋白的發現，不僅僅解釋的衣藻的趨光性行為，納格爾和班貝格的實驗還證明了這個來自衣藻的光敏感通道能獨自驅使動物細胞產生光電流。因此，借助這個光敏感通道，就可以通過光來遙控動物細胞，特別是神經細胞的電活動。

用光來改變神經細胞的電活動是神經科學家長久以來的夢想，光刺激有著比傳統藥物刺激和電刺激更高的時間和空間的精確性，并且對組織的傷害更小。

20世紀90年代，科學家開始使用光控釋放神經遞質來激活細胞，但這種方法的時間和空間的精確性仍然不夠。

2002年，奧地利神經科學家格羅·米森伯克 (Gero Miesenb?ck）開始在光控中引入遺傳學，嘗試將果蠅眼中的視紫紅質表達在哺乳動物細胞中，或者將哺乳動物的離子通道表達的果蠅的神經細胞中。使用遺傳學的優勢在于，可以專門針對研究者想到測試的神經細胞進行遙控，但米森伯克缺乏一種強有力的工具可以讓光精確地改變神經活動。

2003年在衣藻中發現的視紫紅質通道蛋白正好提供了這樣一個強有力的工具。

2000年，愛德華·博伊登（Edward S. Boyden，1979-）來到斯坦福大學，在錢永佑（Richard Tsien，錢永健的哥哥）和詹妮弗·雷蒙德（Jennifer Raymond）教授的指導下，研究小腦神經回路。

在錢永佑的實驗室，博伊登遇到了錢永佑之前的博士生卡爾·代塞爾羅思（Karl Deisseroth，1971-）。代塞爾羅思之前在斯坦福大學學習神經生物學，并在斯坦福醫院當過精神科住院醫師。

有著工程背景的博伊登和醫學背景的代塞爾羅思經常在一起討論當時神經生理學的研究技術。多次的思想碰撞讓兩位年輕人意識到，當時的技術還有很大局限，神經生物學家需要更好的工具來控制大腦中特異的神經元，他們決定開發這樣的工具。 

他們最初設想可以使用磁場來控制神經元，在神經元中表達機械拉力敏感的離子通道，然后把微小的磁珠特異性連接到這種通道蛋白上，這樣就可能通過外部磁場來控制神經元的電活動。但是，無論是找到合適的機械敏感離子通道基因還是把磁珠連接到通道蛋白上，技術難度都非常大。 

后來，博伊登在閱讀一篇1999年發表的論文中得到了靈感。這篇論文報道了在嗜鹽堿單胞菌中發現的鹵化視紫紅質（halorhodopsin），能夠在大腦的氯離子濃度下工作。這種視紫紅質可以在受光照時激活離子通道。

博伊登意識到使用光來控制離子通道比磁場更容易實現。他寫郵件給這篇論文的作者，索要了這個蛋白的基因。但后來由于博伊登忙于博士學位論文，這件事情被晾在了一邊。

2003年秋天，代塞爾羅思即將獨立成為PI，組建自己的實驗室。他寫郵件給博伊登，希望博伊登博士畢業后可以去他的實驗室做博后，一起開展之前討論的使用磁場控制神經元的項目。

從2003年10月到2004年2月，代塞爾羅思和博伊登為即將開始的磁控神經元項目閱讀了大量的文獻。恰在此時，納格爾、黑格曼和班貝格及同事們在 PNAS 期刊上發表了前文提到的ChR2的論文。

博伊登閱讀這篇論文時立刻意識到，ChR2擁有他們設想過的一切特性：在一個蛋白中把輸入信號（光）和輸出（去極化神經細胞）偶聯起來。事實上，同時意識到這一ChR2這一特性可以用于光控神經細胞的，遠不止博伊登一人。 

博伊登寫信給代塞爾羅思，希望能聯系納格爾索要ChR2的克隆。代塞爾羅思于2004年3月聯系了納格爾。那時，納格爾已對ChR2做了一些改良，他把這些改良后的克隆寄送給了代塞爾羅思和博伊登。 

博伊登當時還在錢永佑的實驗室做博士課題。但從2004年7月開始，博伊登幾乎把博士課題放在了一邊，專心做起了ChR2在神經元中表達的項目。

2004年8月4日的凌晨1點，博伊登在錢永佑的實驗室里用藍光照射表達了ChR2的神經元，成功觀察到了去極化和動作電位。早上，他發郵件給代塞爾羅思告訴了他的發現。代塞爾羅思回信：“太棒了！！！！！” 五個感嘆號顯示了他當時的興奮心情。

2005年初，張鋒（就是后來最早在哺乳動物細胞中使用CRISPR做基因編輯的那位，現麻省理工學院教授）來到代塞爾羅思實驗室開始了研究生生涯。他改進了博伊登的表達體系，使用慢病毒在神經元中表達ChR2，大大增加了該系統的穩定性。

2005年4月19日，博伊登和代塞爾羅思把他們的發現投稿給 Science 雜志，遭拒稿，理由是沒有具體的科學發現。5月5日，他們投稿到 Nature 雜志，Nature 建議把稿件轉投給 Nature Neuroscience 雜志。經過一輪修改，Nature Neuroscience 接受了這篇文章。 

光遺傳學的其他研究者

自從黑格曼等在2003年發表了光敏通道蛋白ChR1和ChR2，很多科學家都意識到這類光控通道蛋白有極大的應用潛力。一場無形的競爭也在悄然展開。 

美國底特律的韋恩州立大學華人神經科學家潘卓華是一位視覺專家，他在2000年早期即構想將光敏蛋白表達在盲人的眼內，以代替視桿細胞和視錐細胞的缺失。 

2003年ChR1和ChR2論文的發表，潘卓華敏銳地覺察到這可能就是他一直在尋找的光敏蛋白。

他與薩魯斯大學（Salus University）的 Alexander Dizhoor 教授合作，在神經節細胞中表達ChR2。Dizhoor 教授的團隊設計合成了光敏通道蛋白的DNA，并添加了示蹤的熒光蛋白——這與納格爾對ChR2的改良非常類似。同時，潘卓華使用病毒在細胞中表達ChR2，這與張鋒在代塞爾羅思實驗室的改進也相似。 

2004年7月，潘卓華將載有ChR2基因的病毒注入給小鼠，5周后他通過熒光蛋白確認了ChR2在視網膜細胞上的表達。當他打開照射燈時，插入視網膜的電極顯示了明顯的電活性。這顯然是個了不起的實驗，它第一次證明了ChR2在活體動物中的活性，證明表達視紫紅質通道蛋白可以使的失明的大鼠重新感光——這有著極大的應用價值，有可能成為治愈盲人的一種方法。

2004年11月25日，潘卓華和合作者將這些發現投稿給 Nature 雜志。與代塞爾羅思的文章遭遇一樣，Nature 建議將文章改投到旗下子刊 Nature Neuroscience。

不過，潘卓華的論文繼續被拒。2005年初，潘卓華將文章投到Journal of Neuroscience ，再次遭拒稿。 

2005年5月，潘卓華在佛羅里達參加視覺與眼科學研究協會大會時，簡短報告了他的這項成果。當時他的論文還沒有發表，這是該工作第一次公布于眾。

最后，潘卓華的論文幾經周折，直到2006年4月在 Neuron 雜志發表 。不過，這篇文章所受的關注遠遠不如代塞爾羅思等人在8個月前發表的論文。 

2005年，日本的 Hiromo Yawo 實驗室和美國的凱斯西儲大學的林恩·蘭德梅賽（Lynn Landmesser）和 Stefan Herlitze 也發表了類似的結果，他們比代塞爾羅思等人等的文章晚了兩三個月。

一位長期關注光遺傳學的科學家評論說，代塞爾羅思和博伊登的文章幾乎直接提出了光遺傳學的概念，并予以了充分的證據支持，使得其作為一個能夠廣泛使用的潛在神經科學工具而被神經科學領域所快速的接受。相對來說，潘卓華的工作相對而言受眾更小，為大家接受驗證也需要時間，但他開創性地將ChR表達到視網膜細胞中用于治療，并且取得成功，是一項很了不起的工作；并且這也是第一次將ChR表達到活體動物中發揮治療作用。

科學的發展常常伴隨著科學家競爭，這是科學的常態。每一項科學成果的背后，故事主角們都有不同的悲喜。但無論結局如何，每一位探索在知識邊緣的科學家都值得我們深深的敬意。 

光遺傳學的發明，幾乎在一夜之間改變了神經科學研究。

從線蟲到靈長類動物，人們在幾乎所有實驗動物中表達光敏感通道來實現遠程遙控神經活動。通過在不同類型的神經細胞中表達光敏感通道，人們可以用光控制小鼠的行為，控制它們的運動，使它們產生虛擬的饑餓感或飽腹感，甚至在它們腦中用光寫入或抹去特定的記憶。

光遺傳學已經成為神經科學中證明因果性的關鍵手段。這一技術也為眾多醫學應用開辟了道路。科學家們希望能利用光，給盲人提供基本視力，刺激患有帕金森病的患者的深部腦，甚至影響心律，以治療心力衰竭。

作為一項徹底改革了神經科學發展的技術，光遺傳學也讓包括黑格曼、納格爾、班貝格、代塞爾羅思、博伊登在內的科學家在過去幾年中屢獲殊榮，其中包括了2010年《科學》雜志十年最佳進展，2013年的大腦獎，2015年的生命科學突破獎、2016年度科學突破獎、2019年的拉姆福德獎金和2020年的邵逸夫獎等。

回到故事最開始的時候，科學家們只是想知道單細胞藻類微小的秘密。彼時，沒有人會想到，那些努力向光游去的小綠藻，最終居然教會我們如何改寫大腦活動的秘訣，推動我們向解開大腦秘密前進了一大步。

迪特爾·奧斯特黑爾特

現為德國馬克斯·普朗克生物化學研究所名譽組長。他1940年11月10日出生于德國慕尼黑，1959-1963年在德國慕尼黑大學學習化學，1967年他博士畢業于慕尼黑大學，之后擔任馬克斯·普朗克細胞化學研究所研究助理。1969年，奧斯特黑爾特前往加州大學舊金山分校做研究，并在那里開啟了對細菌視紫紅質的研究。1973-1975年，他是馬克斯·普朗克學會弗里德里希·米歇爾實驗室的研究組長，1976-1979年在維爾茨堡大學任正教授。1980年之后，奧斯特黑爾特長期擔任馬克斯·普朗克生物化學研究所所長。2008年退休。

彼得·黑格曼

1954年12月11日出生于德國明斯特。1975年至1980年在明斯特大學和慕尼黑大學學習化學。1980年至1984年在馬克斯·普朗克生物化學研究所 Dieter Oesterhelt 教授的指導下完成博士學位，研究細菌的光敏感離子泵。之后，在美國雪城大學的Kenneth Foster 實驗室從事博士后工作，開始研究單細胞藻類的趨光行為。

1986年黑格曼回到馬克斯·普朗克生物化學研究所建立微藻光受體實驗室。1991年發現衣藻的光電流。2002年找到介導衣藻光電流的基因，即視紫紅質通道蛋白（Channelrhodopsins）。2005年至今，在柏林洪堡大學擔任生物物理學教授和系主任。 

卡爾·代塞爾羅思

代塞爾羅思為美國斯坦福大學教授。他1971年出生于美國，在哈佛大學獲得生物化學學士學位后，1998年在斯坦福大學獲得神經學博士學位。2004年，他在斯坦福大學建立自己的實驗室。 

2005年，代塞爾羅思和博士后愛德華·博伊登（Edward Boyden）、學生張鋒等共同發表了一篇論文，首次利用通道視紫紅質在神經細胞上實現了毫秒級動作電位的控制。2006年，代塞爾羅思將這種方法命名為“光遺傳學”。他們的方法很快被廣泛應用于生物學各個領域，使生物學家可以用光控制各種生命活動。

[1] Bamberg, Ernst, Peter Hegemann, and Dieter Oesterhelt. "The chromoprotein of halorhodopsin is the light-driven electrogenic chloride pump in Halobacterium halobium." Biochemistry 23, no. 25 (1984): 6216-6221.

[2] Harz, Hartmann, and Peter Hegemann. "Rhodopsin-regulated calcium currents in Chlamydomonas." Nature 351, no. 6326 (1991): 489-491.

[3] Nagel, Georg, Bettina M?ckel, Georg Büldt, and Ernst Bamberg. "Functional expression of bacteriorhodopsin in oocytes allows direct measurement of voltage dependence of light induced H+ pumping." FEBS letters 377, no. 2 (1995): 263-266.

[4] Nagel, Georg, Doris Ollig, Markus Fuhrmann, Suneel Kateriya, Anna Maria Musti, Ernst Bamberg, and Peter Hegemann. "Channelrhodopsin-1: a light-gated proton channel in green algae." Science 296, no. 5577 (2002): 2395-2398.

[5] Boyden, Edward S., Feng Zhang, Ernst Bamberg, Georg Nagel, and Karl Deisseroth. "Millisecond-timescale, genetically targeted optical control of neural activity." Nature neuroscience 8, no. 9 (2005): 1263-1268.

[6]Zemelman, Boris V., Georgia A. Lee, Minna Ng, and Gero Miesenb?ck. "Selective photostimulation of genetically chARGed neurons." Neuron 33, no. 1 (2002): 15-22.

[7]Nagel, Georg, Tanjef Szellas, Wolfram Huhn, Suneel Kateriya, Nona Adeishvili, Peter Berthold, Doris Ollig, Peter Hegemann, and Ernst Bamberg. "Channelrhodopsin-2, a directly light-gated cation-selective membrane channel." Proceedings of the National Academy of Sciences 100, no. 24 (2003): 13940-13945.

[8]Boyden, Edward S. "A history of optogenetics: the development of tools for controlling brain circuits with light." F1000 biology reports 3 (2011).

[9]Bi, Anding, Jinjuan Cui, Yu-Ping Ma, Elena Olshevskaya, Mingliang Pu, Alexander M. Dizhoor, and Zhuo-Hua Pan. "Ectopic expression of a microbial-type rhodopsin restores visual responses in mice with photoreceptor degeneration." Neuron 50, no. 1 (2006): 23-33.