首次成功利用光遺傳學治療不育

　　目前，來自歐洲高級研究中心的科學家們，首次成功地通過光遺傳學來控制精子的功能。他們將一種用于cAMP合成的光激活酶，插入缺乏內源酶的小鼠精子。這些小鼠的精子通常是非運動性的，因此小鼠是不育的。用藍光刺激這些精子之后，它們能夠產生cAMP，開始再次游動，甚至能夠使卵細胞受精。利用光遺傳學技術，科學家現在不僅能夠控制離子流入神經細胞，從而控制它們的活性，而且還能控制其他類型細胞中的信號通路。相關研究結果發表在最近的國際著名學術期刊《eLife》。

　　用光來控制細胞，一直以來都是科學家的一個夙愿。光可以被迅速打開和關閉，并且不會干擾自然的細胞過程。實現這一目標的最大障礙是，找到一種方法，為細胞提供“光開關”。在2002年，三位德國科學家——Peter Hegemann、Ernst Bamberg和Georg Nagel證明，一種單細胞綠藻的光敏膜蛋白是離子通道，并將它們稱為channelrhodopsins。Channelrhodopsins可以通過基因工程方法被插入到細胞中，從而使我們有可能用光來控制細胞。這一發現建立了一個新的研究領域，被稱為光遺傳學。

　　光遺傳學主要是用光控制含有channelrhodopsin的神經細胞的電活動。同時，光遺傳學“工具箱”一直不斷擴大，因此現在有可能打開或關閉細胞中信使介導的信號通路。一種重要的細胞信使是磷酸腺苷AMP（cAMP），它控制著大范圍的功能，例如心率、嗅覺、學習、記憶形成和卵細胞受精。這種物質是通過稱為腺苷酸環化酶的酶而合成的。

　　在2002年，第一個光激活的腺苷酸環化酶（PAC，光激活的腺苷酸環化酶）被發現。從那時起，研究人員已經遇到了更多這樣的酶。最突出的例子是bPAC，來自土壤細菌的一個光門控腺苷酸環化酶，是由柏林洪堡特大學的Peter Hegemann發現的。

　　歐洲高級研究中心的科學家們與Peter Hegemann合作，在Benjamin Kaupp和Dagmar Wachten的帶領下，制備了一種轉基因小鼠，它的精子含有光激活腺苷酸環化酶bPAC。卵細胞的受精與cAMP的合成密切相關。缺乏內源性腺苷酸環化酶的精子不能游動：小鼠是不育的。然而，如果用藍光刺激bPAC精子，cAMP濃度就會增加，精子游動地更快，因為精子尾部跳動的更快。

　　然而，研究人員的目標不僅是用光控制精子的游泳運動；他們還想用光來調節受精作用。因此，他們將bPAC插入缺乏用于cAMP生產的內源性酶的小鼠突變體精子中。這些小鼠的精子是不能游動的，雄性小鼠是不育的。然而，用藍光進行刺激之后，精子開始再次游動，甚至可以使卵細胞受精。因此，我們有可能用光控制一些像受精這樣基本的事情。因此可以說，光遺傳學征服了神經科學以外的另一個領域。