光遺傳學技術進軍新大陸:蛋白質功能研究

　　北卡羅來納大學的科學家們在光遺傳學技術的基礎上，開發了快速檢測基因和蛋白質功能的強大工具。他們將光敏開關裝到蛋白質上，然后在活細胞中用激光操縱蛋白質的移動和活性。這一重要成果發表在四月十八日的Nature Chemical Biology雜志上。

　　基因敲除會造成永久性改變，在我們還沒發現的時候生物體系可能就做出了相應的補償。“利用光我們可以在特定時間失活特定細胞的一個蛋白質，對其進行實時觀察。這些信息有助于揭示這個蛋白的真正功能，”文章資深作者Brian Kuhlman教授說。光遺傳學是神經學領域的革命性技術，可以實現精確的時間和空間控制。現在，Kuhlman教授及其同事將這一技術成功應用到了自己的功能研究中。

　　已知植物蛋白AsLOV2會根據光照改變形態。研究人員給AsLOV2附上一段含有核輸出信號的短氨基酸序列。在黑暗條件下這段信號保持“沉默”，在藍光照射時這段信號釋放出來，使蛋白從細胞核進入細胞質。

　　研究人員將上述蛋白與熒光蛋白融合起來在小鼠細胞中表達。他們發現，紅色熒光一開始集中在細胞核內，特定波長的光照會使熒光轉移到細胞質。隨后，研究人員將這些光敏開關裝到蛋白質LexA和Bre1上，這兩種蛋白一般位于細胞核內對DNA起作用。研究顯示，在光激活之后這些蛋白都轉移到了細胞質中，而且這種轉移伴隨著蛋白質活性的喪失。

　　研究人員還發現，當Bre1被移走的時候它負責的DNA修飾在幾分鐘內就消失了。說明這些細胞過程相當活躍，進行速度非常快。正因如此，用光遺傳學方法實時觀察生物學事件是很有意義的。

　　傳統光遺傳學技術是將光敏通道蛋白添加到想要研究的神經元中，通過光照選擇性開啟這些通道，激活或者沉默目標神經元。研究者們一直在嘗試理解人類的記憶，光遺傳學技術為他們提供了前所未有的便利工具。Nature雜志上同時發表了兩項光遺傳學研究，顛覆了人們對恐懼記憶的認識。研究顯示，當恐懼記憶產生之后，檢索恐懼記憶的大腦回路會隨著時間推移發生改變。也就是說，回憶舊記憶的大腦通路與回憶新鮮恐懼記憶不同。（更多詳細信息參見：兩篇Nature發布光遺傳學顛覆性發現）

　　Nature雜志去年年底的一項研究指出，在錯綜復雜的大腦神經網絡中，牽動一根線就會拆開好幾個回路。可以說是牽一發而動全身。通過光遺傳學技術或藥物操縱大腦的神經回路，會出現誤導性的現象，使人們得出沒有根據的結論。（更多詳細信息參見：Nature：革命性技術遭質疑，牽一發而動全身？）

　　Salk 研究所的科學家們在Nature Communications雜志上發表了一項新技術，用超聲波選擇性激活大腦、心臟、肌肉和其他類型的細胞。這種聲遺傳學（sonogenetics）技術使用臨床上的醫學超聲波，在治療人類疾病的時候可能比光遺傳學更有優勢。此外，低頻超聲波穿透性很強，更容易刺激機體深處的細胞。