化学光遗传学技术实现细胞活性的多层次调控

为了研究细胞内复杂的生物过程，科学家们发展了许多干扰技术，包括基因沉默（RNAi）和CRISPR-Cas9等基因操控技术、化学诱导蛋白质二聚化（CID）的化学遗传学（chemical genetics）技术以及基于光敏蛋白的光遗传学（optogenetics）技术等。然而基因操控技术调控时间较长（需要数小时甚至更长），难以实现对细胞信号转导以及胞内“货物”（cargo，如细胞器等）转运等快速过程（数秒或者数分钟）的实时控制和观察。化学遗传技术和光遗传技术虽然可以对细胞内的生物过程进行快速调控，但这些工具只能实现对某一蛋白质功能的激活或者去激活单层次活性调控，而对于多功能蛋白质和胞内“货物”的双向转运等在多个位点或方向上的细胞过程的调控则无能为力。蛋白质或细胞器在细胞内的不同位点往往会产生不同的功能或者介导不同的信号传导通道，研究其在一个细胞内多个位点（或方向）上的功能对于探索生命过程和疾病发生机制具有重要的意义。

为了解决这个难题，德国马普分子生理研究所、马普化学基因组学中心和瑞典于默奥大学的吴耀文教授（点击查看介绍）课题组发展了光激活双化学诱导蛋白质二聚化（photoactivatable, dual-chemically induced dimerization, pdCID）的方法，实现了细胞内的多向活性调控（Multi-directional Activity Control, MAC）。该工作的核心是将光激活的化学诱导二聚化分子NvocTMP-Cl和一个化学诱导的二聚化分子SLF*-TMP进行各种巧妙搭配，从而实现对信号分子的多层次调控。

pdCID技术产生了两个方面的应用，一是所谓的“平行多向活性调控”（parallel MAC）方法，可以对因过量表达的蛋白质而产生的背景活性进行调低，从而提高信噪比，而有利于对目标生物过程的监测，解决了长期困扰CID化学遗传学技术和光遗传学技术的难题。另一个是“竞争性多向活性调控”（competitive MAC）的方法，实现了对多功能蛋白质如Rac1在细胞膜、细胞质和细胞核中的循环定位，为研究其在同一细胞的不同位点的功能铺平了道路。

另一方面，细胞器、蛋白质等“货物”的双向转运对神经元中“货物”的正确定位起着关键的作用，这些“货物”的正确定位与否也与神经退行性疾病的发生密切相关。基于pdCID技术，该研究团队通过先后分别激活驱动蛋白（kinesin）或动力蛋白（dynein），实现了对过氧化物酶体双向转运的调控，该实验结果也一定程度上为货物双向运输的“拔河模型”（tug of war）提供了直接的实验证据。

pdCID技术是将合理设计的光敏感化学小分子（chemical molecule）与基因工程技术相结合（genetic engineering），实现了用光对细胞功能的调控（opto-control），与pCID （photoactivatable chemically induced dimerization）和psCID（photoswitchable chemically induced dimerization）共同作为化学光遗传学（chemo-optogenetics）技术的组成部分。化学光遗传学技术作为一种前沿的化学生物学技术，是继化学遗传学和光遗传学技术之后的一个新发展，进一步丰富了针对生物体系的干扰技术，为研究复杂的生命过程和建立有效的疾病治疗手段开辟了新道路。

这一成果近期发表在化学领域顶级期刊Angew. Chem. Int. Ed. 杂志上，并被评为VIP论文（Very Important Paper），论文的第一作者是陈西博士。

该论文作者为：Dr. Xi Chen, Dr. Muthukumaran Venkatachalapathy, Dr. Leif Dehmelt, Prof. Dr. Yao‐Wen Wu

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Multidirectional Activity Control of Cellular Processes by a Versatile Chemo-optogenetic Approach

Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57, 11993, DOI: 10.1002/anie.201806976

吴耀文简介

吴耀文，现任瑞典于默奥大学（Umeå University）教授，曾任马普化学基因组学中心实验室主任，主要研究方向是内膜运输调控机制以及细胞自噬的机制研究，发展了新颖的化学方法对蛋白进行标记示踪用于监测细胞内的信号传导和疾病诊断以及发展新的化学和化学光遗传学的方法研究生物过程和发展精准的医疗解决方案。

https://www.x-mol.com/university/faculty/50160