在《水滸傳》中，宋江在祝家莊用一盞高懸的紅燈籠指揮人馬，取得了勝利。華東師范大學生命科學學院研究員葉海峰團隊近日以通訊作者身份在《自然·通訊》雜志發(fā)表論文稱，他們開發(fā)了一種用遠紅光調控的分割型Cre-loxP重組酶系統(tǒng)。這種融入了光控系統(tǒng)的重組酶，能夠像祝家莊部隊一樣在LED遠紅光照到的地方啟動“戰(zhàn)斗”，不僅實現(xiàn)了對基因重組的有效控制，還解決了此前困擾學界很久的生物學毒性、組織器官特異性、組織穿透性差等問題。

基因功能研究利器卻自帶“痛點”

自人類基因組計劃實施以來，人類雖然讀出了傳遞“生命密碼”的基因組序列，但并不清楚每個基因的功用。

為了破譯基因的功能，人們通過讓該基因失活，看生物體內發(fā)生的變化，或者直接把這個基因敲入到模型動物中，看試驗動物發(fā)生的變化，進而研究一個基因在生命活動中的具體功能。

在Cre-loxP重組酶中，loxP序列有34個堿基對，由兩端回文的各13個堿基對和中間8個非對稱堿基對組成。而Cre重組酶能夠對loxP序列進行特異性識別，因此Cre-loxP重組酶被譽為基因編輯神器，可以對特異位點的基因進行包括敲除、插入、翻轉和易位等定向改造。

Cre-loxP重組酶系統(tǒng)雖然好用，但是問題來了。Cre重組酶是1981年從P1噬菌體中發(fā)現(xiàn)的，它本不是哺乳動物與生俱來的。loxP序列也來源于P1噬菌體?！俺掷m(xù)穩(wěn)定地表達Cre重組酶會導致早期胚胎致死問題，不利于后續(xù)基因功能的研究?！比~海峰對科技日報記者解釋，另一方面，長期表達Cre重組酶也會對細胞造成一定的毒性，導致染色體的重排和細胞生理功能的紊亂。

也就是說，如果小鼠在全生命周期都表達這個外來的Cre重組酶，要么“短命”，要么“生病”?？茖W家用動物模型研究某個基因的功能時，空間非常有限，效果也可能不理想，在應用中產生了“痛點”。

“智能線路”滿足基因改造定制要求

在此次發(fā)表的論文中，研究團隊利用該課題組前期開發(fā)的遠紅光調控的哺乳動物細胞轉基因表達控制系統(tǒng)，將4個主要元件拼接組裝，完成了遠紅光到重組酶“開關”的信號通路建設。

“經過這樣的改造，基因重組不僅可以在時間上受控，還可以在空間上受控，從而實現(xiàn)生命科學研究中的‘定制’需求。”葉海峰說，“比如，有些基因的全身性敲除是致命性的，那就不能持續(xù)研究，現(xiàn)在如果用光來控制基因的定點敲除，就可以研究這類關鍵基因的功能。”

加了“智能線路”的系統(tǒng)設計完成后，葉海峰團隊用“3步走”的實驗嚴謹?shù)貙φ麄€程序進行了測試。葉海峰說，對人胚胎腎細胞的測試最開始不理想，但通過優(yōu)化啟動子、質粒量等參數(shù)，最終獲得了最優(yōu)解。

隨后，研究團隊分別在哺乳動物細胞中、小鼠體內進行測試后顯示，重組系統(tǒng)在遠紅光照射下有較高的重組效率。小鼠活體成像和肝臟成像顯示，與黑暗組小鼠相比，光照組小鼠熒光蛋白表達量更高。

一個來自微生物的蛋白堪當大任

祝家莊的紅燈籠大戰(zhàn)，靠的是人眼對紅光的識別。而在生命科學的光控體系中，讓生命活動與光“攀上關系”的是一種名為BphS的光敏蛋白。

人類一直希望從體外精準控制基因表達，早期希望通過化學小分子達成，形象地表述就是“用點藥”“加點料”。

“我覺得小分子控制可能意義不大，因為化學分子一加進去就失去局部控制效果?！比~海峰認為，用光來控制基因的表達則不同，能夠實現(xiàn)指哪打哪。

說到光，最先想到人眼睛的視網膜中的蛋白，因為人眼對光有感應。因此，葉海峰最先研究的是人視網膜中的光敏蛋白，但這種蛋白天生對特定頻率的光敏感，而這些頻率的光透皮效果差。

“為了找到好用的光敏蛋白，我們從文獻中‘大海撈針’，從一些文獻報道中發(fā)現(xiàn)微生物、植物里的遠紅光響應蛋白，可用光的范圍更加廣泛?！比~海峰說，后來有學者從微生物里鑒定找到了BphS，就是我們現(xiàn)在用的光敏蛋白。

“我們根據(jù)蛋白的一些功能特性，將光敏蛋白從紅細菌中轉移到哺乳動物體系，讓其仍舊能夠工作。”葉海峰說，他們設計了很多策略，通過合成生物學理論組裝拼接各種部件，組裝成功能不同的基因回路。

葉海峰表示，未來，“光控”基因調控系統(tǒng)可能會更加復雜。比如用藍光、紅光、紫光傳遞不同信號，進而實現(xiàn)多色光的控制，同時通過加入邏輯運算，控制更加復雜的細胞行為。