Nat Methods：光遺傳學——細胞生物學新研究利器

來源：作者：人氣：-發表時間：2017-03-21 08:54:00【大中小】

在細胞生物學領域創新的研究方法并不是特別多。光遺傳學方法過去多應用于神經系統的研究。然而，全新的方法拓展了光遺傳學應用范圍，幾乎可以用于所有組織器官的細胞生物學研究，這一全新的技術可能會細胞生物學研究帶來新的曙光！傳統對細胞信號研究幾乎都是線性的，而光遺傳學可能提供了立體、空間，以及動態的細胞信號特征，也可能為人類認識細胞信號轉導提供了完全不同的視野！相信，隨著光遺傳學技術的發展和深入，將人類對細胞信號轉導的認識帶入新的“視界”！

光遺傳學——細胞生物學新研究利器

來自阿爾伯塔大學的研究人員開發出了一種使用光控制生物細胞水平的新方法。這種工具被稱為光可切割蛋白（photocleavable protein）：PhoCl，也就是當暴露于光線時，蛋白會裂解開來，這樣科學家們就能以新的方式來研究和操縱細胞內活性。

這一研究成果公布在3月的Nature Methods雜志上，領導這一研究的是阿爾伯塔大學的蛋白質工程師Robert Campbell。他曾說過，“在我的職業生涯中期階段，我發現要想單純的進行發明有些可怕。由假說驅使的研究總是會得到一個答案，無論得到的是不是正確的答案。相比之下，由發明驅動的研究往往有雙向出口，要不成功，要不失敗，而失敗很少有人提及。”Nature技術人物：想要發明，而不是驗證的科學家

Campbell師承加州大學圣地亞哥分校的華裔諾獎得主Roger Tsien（錢永健）。他在自己的職業生涯中研發出了一種稱為FPX的新技術工具，這種工具能利用熒光蛋白在活細胞和組織里成像動態的生化事件，將蛋白互作的變化轉變為立即可見的顏色改變（紅-綠），這不僅為人們提供了即時檢測細胞變化的新工具，還向人們展示了構建新一代生物感應器的一種通用策略。

在這篇文章中，研究人員首先利用光可切割蛋白將細胞蛋白與抑制劑連接在一起，令其無法執行正常的功能，這個過程被稱為鎖定。Campbell表示，“（然后）通過將光照射到細胞中，我們可以使光可切割蛋白裂解，從而去除抑制劑，令細胞內蛋白解鎖”，一旦蛋白被解鎖，那么就可完成其在細胞內的正常功能。

這一工具對于希望能調控細胞內進程的研究人員來說，相對容易使用，也應用廣泛。

Campbell解釋說，光敏蛋白可以被用于研究任何活細胞的內部工作。例如，光遺傳學工具廣泛應用于激活小鼠的腦活動。“我們可以利用光可切割蛋白在實驗室研究單個細菌，酵母，人類細胞，甚至整個動物，如斑馬魚或小鼠。不過首先需要將這些蛋白放入動物體內，因此我們簡單地將這種蛋白的基因剪接成DNA，利用已有技術將其插入到細胞中。”

目前Addgene可以提供光可切割蛋白基因。

“我們希望提供新的方法來了解細胞生物學，”Campbell說，“未來這將能有更多潛在的應用，比如研究哪些細胞會成為發育生物學中的哪些組織，以及分析基因編輯技術的可行性。”

光遺傳學是近年來最具創新性的顯微技術之一，通過結合遺傳學和光學方法，科學家們可以利用光來特異性控制活細胞中精確時間段的蛋白活性，以及蛋白相互作用。

在進行光遺傳學實驗的時候，研究人員經常需要使用一種激光共焦顯微鏡的光漂白模式（photobleaching mode）。雖然目前特殊激光或其它通過光學半導體作為數字微鏡設備（digital micromirror devices）的照明系統，已經得到了長足發展，但是這些設備價格依然居高不下，而且也只能用于細胞生物學研究中的幾種光應答蛋白。此前來自日本香川大學的研究人員研發出了一種自動熒光顯微系統，這種系統采用傳統的光學零件和軟件，能操控活細胞中的基因編碼光應答蛋白。自動熒光顯微系統：高效光控蛋白。

原文來源

Optogenetic control with a photocleavable protein, PhoCl