生物通報(bào)道  盡管人類(lèi)細(xì)胞中有著大約2萬(wàn)個(gè)基因，根據(jù)細(xì)胞的需要，在特定的時(shí)間只有一小部分的基因表達(dá)開(kāi)啟，且每時(shí)每刻都可能發(fā)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(shí)間尺度來(lái)操控它們的狀態(tài)。現(xiàn)在，麻省理工學(xué)院和Broad研究所開(kāi)發(fā)的一項(xiàng)新技術(shù)使這一切成為可能，只需用光照射細(xì)胞就能夠快速地啟動(dòng)或終止任何目的基因的表達(dá)。這一研究成果發(fā)表在7月22日的《自然》（Nature）雜志上。
領(lǐng)導(dǎo)這一研究的是麻省理工學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)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(shè)計(jì)新的分子工具來(lái)操控活體大腦。不久前他獲得了美國(guó)生物醫(yī)學(xué)瓦利基金青年研究家獎(jiǎng)（Vallee Foundation Young Investigator Award）。該研究工作是基于一項(xiàng)稱(chēng)之為光遺傳學(xué)（optogenetics）的技術(shù)，其利用了可以響應(yīng)光而改變功能的蛋白質(zhì)。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(dá)。
“細(xì)胞在相當(dāng)短的時(shí)間內(nèi)會(huì)發(fā)生非常動(dòng)態(tài)的基因表達(dá)，然而到目前為止，研究人員所采用的那些擾亂基因表達(dá)的方法都無(wú)法追蹤這樣的動(dòng)態(tài)。要更好地了解這些基因表達(dá)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(fā)生的動(dòng)態(tài)，”論文的主要作者、麻省理工學(xué)院腦和認(rèn)知科學(xué)研究生Silvana Konermann說(shuō)。能夠地控制基因定時(shí)表達(dá)及持續(xù)的時(shí)間，可使人們更容易地弄清楚特定基因，尤其是那些與學(xué)習(xí)和記憶有關(guān)的基因的功能。此外，這一新系統(tǒng)還可用于研究表觀遺傳修飾——人們認(rèn)為其在學(xué)習(xí)和記憶中也發(fā)揮了重要的作用。
用光照射基因新系統(tǒng)由幾個(gè)元件構(gòu)成，它們彼此之間相互作用控制了DNA復(fù)制為信使RNA（mRNA）。*個(gè)元件是稱(chēng)之為轉(zhuǎn)錄激活子樣效應(yīng)因子（transcription activator-like effector ,TALE）的DNA結(jié)合蛋白。TALEs是可以按定制方式組裝到一起結(jié)合所有DNA序列的模塊蛋白。
與TALE蛋白融合的是一種稱(chēng)作為CRY2的光敏蛋白，它自然存在于開(kāi)花植物擬南芥中。當(dāng)光照射CRY2時(shí)，它會(huì)改變形狀，結(jié)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(fù)制的蛋白融合到一起。在將所有這些元件的基因傳遞到細(xì)胞中之后，TALE蛋白會(huì)找到它的靶DNA并結(jié)合它。當(dāng)光照射細(xì)胞時(shí)，CRY2蛋白會(huì)結(jié)合漂浮在細(xì)胞中的CIB1。CIB1攜帶的是基因激活子，就會(huì)啟動(dòng)DNA復(fù)制為mRNA。攜帶的是基因抑制子，則會(huì)關(guān)閉這一過(guò)程。
一個(gè)光脈沖即足以刺激蛋白結(jié)合或啟動(dòng)DNA復(fù)制。研究人員發(fā)現(xiàn)每隔一分鐘左右傳遞光脈沖可zui有效率地獲得持續(xù)期望時(shí)間的轉(zhuǎn)錄。在30分鐘的光傳遞時(shí)間內(nèi)，研究人員檢測(cè)到靶基因生成的mRNA量上升。一旦脈沖停止，在大約30分鐘內(nèi)mRNA會(huì)開(kāi)始降解。在這項(xiàng)研究中，研究人員嘗試靶向了實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)神經(jīng)元及活體動(dòng)物神經(jīng)元中近30種不同的基因。根據(jù)靶向的基因以及它的正常表達(dá)量，研究人員將轉(zhuǎn)錄提升了2-200倍。
斯坦福大學(xué)生物工程學(xué)教授、光遺傳學(xué)之一Karl Deisseroth（未參與該研究）說(shuō)，這項(xiàng)技術(shù)zui重要的創(chuàng)新之處在于，不同于科學(xué)家們傳遞工程基因，它控制的是自然存在于細(xì)胞中的基因。“你可以在的時(shí)間控制特定的遺傳位點(diǎn)，以高時(shí)間度觀察所有的事物如何做出反應(yīng)，”Deisseroth說(shuō)。
表觀遺傳修飾基因表達(dá)控制的另一個(gè)重要元件是表觀遺傳修飾。組蛋白化學(xué)修飾是一類(lèi)重要的表觀遺傳效應(yīng)物。研究人員證實(shí)，他們還可以通過(guò)將TALE蛋白與組蛋白修飾因子相融合來(lái)改變這些表觀遺傳修飾。
人們認(rèn)為表觀遺傳修飾在學(xué)習(xí)和記憶形成中發(fā)揮了關(guān)鍵的作用，然而由于缺乏好的方法來(lái)破壞這些修飾，尚未對(duì)這一機(jī)制進(jìn)行深入地探索。新技術(shù)提供了一種更加的方法來(lái)改變個(gè)別基因的表觀遺傳修飾。張峰說(shuō)：“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(jīng)證實(shí)了一些組蛋白效應(yīng)子結(jié)構(gòu)域能夠與光敏蛋白連接；他們現(xiàn)正致力擴(kuò)大能夠納入到這一系統(tǒng)中去的組蛋白修飾子的類(lèi)型。“這對(duì)于擴(kuò)大我們能夠控制的表觀遺傳標(biāo)記的數(shù)量非常有幫助。目前，我們已經(jīng)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?qū)⑦@一技術(shù)應(yīng)用于更多的組蛋白修飾，”Brigham說(shuō)。    來(lái)源：生物通