近日，華東師範大學生命科學學院研究員葉海峰團隊研發了一種模組小、靈敏度高、可逆性良好的新一代光遺傳學工具，為基礎醫學和轉化醫學研究，尤其是精準可控的基因治療和細胞治療提供了強有力的新型控制系統。相關研究成果近日線上發表于《自然—生物技術》。

利用一束光治療疾病不再是神話故事和科幻小説中才會出現的情節，光遺傳學的出現，讓這個不可思議的治療手段成為可能。近年來，科學家通過對光敏蛋白的挖掘和設計，構建了一系列光遺傳學工具，並將其應用於腫瘤及代謝疾病等治療領域。雖然光遺傳學工具蓬勃發展，但是要真正實現利用一束光治療疾病仍然需要克服許多困難。

葉海峰課題組將目光放在了擬南芥的光敏蛋白PhyA上，在紅光照射下，該蛋白能和其伴侶蛋白FHY1形成二聚體，並在遠紅光照射下解離。根據這一特點，研究人員構建了基於PhyA-FHY1的轉錄激活系統。研究人員將PhyA與GAL4的DNA結合域融合表達，將FHY1和轉錄激活因子VP64融合表達。紅光刺激下，PhyA-GAL4和FHY1-VP64結合形成複合體並招募RNA聚合酶，從而啟動下游基因的表達。

起初，使用完整的PhyA並不能激活下游基因的表達。為此，研究人員對其進行了工程改造，構建了截短版本的ΔPhyA，並通過激活子和伴侶蛋白的優化，最終得到了一個模組小且高度靈敏響應紅光的光遺傳學工具，並將其命名為REDMAP。

研究人員將ΔPhyA定位到細胞膜上，將FHY1和SOS蛋白的激活域SOScat進行融合表達，通過紅光照射來控制SOScat的細胞定位，從而實現了Ras/MAPK信號通路的激活和去激活，成功構建了REDMAPSOS-Ras工具。此外，研究人員還構建了REDMAPCas工具,將REDMAP系統與基因編輯工具CRISPR-dCas9結合在一起，實現了對哺乳動物細胞、小鼠肝臟及肌肉內源基因轉錄的高效調控。

同時，研究人員探究了REDMAP系統在基因治療領域的能力。由於截短的ΔPhyA蛋白具有較小的尺寸，可以利用腺相關病毒包裝。因此，研究人員將REDMAP包裝至腺相關病毒中並將其注射至小鼠體內，實現了長達3個月以上的光控基因表達。

治療蛋白的精準控制對疾病的治療具有重要意義。研究人員將裝載REDMAP系統的工程化細胞移植至小鼠、大鼠和兔的皮下，探究其光響應能力。結果顯示，短時間的光照（1~5分鐘）即可誘導報告基因的高效表達。同時，研究人員還通過光來精準控制小鼠和大鼠體內胰島素的表達，成功實現了對糖尿病小鼠和大鼠血糖穩態的控制。無需每天定時服用藥物或注射胰島素，只需要每天光照幾分鐘即可達到顯著降血糖的效果，這充分表明REDMAP系統在精準可控的細胞治療領域具有極高的應用潛能。（黃辛）