_原题为 厉害！LED照一照 “基因剪刀”就能指哪剪哪
基因编辑近年来广受欢迎 ， 使得科学家们可对基因进行简单“操控” 。 但多年来 ， 这一技术一直缺少一个能随时开启或关闭的按钮 。 现在 ， 我国科学家终于为“基因剪刀”创建了可行的光控开关——
通过感光元器件实现对事物的控制 ， “光控”在现实生活中已慢慢普及 ， 例如手机人脸识别解锁、汽车雾灯自动开启……这次被光操控的是基因编辑 。 我国科学家的这一研究成果近日发表在《科学·进展》杂志上 。
“LED发出的730nm（纳米）的远红光可激活系统进行基因编辑工作 。 ”论文通讯作者、华东师范大学生命科学学院、医学合成生物学研究中心研究员叶海峰对科技日报采访人员表示 ， 只有在光照到的地方 ， 基因的“编辑”“剪切”才会发生 ， 从而真正做到指哪剪哪 。
创建关键元件 为基因编辑装上自动开关
CRISPR-Cas9基因编辑技术近年来应用广泛 ， 被形象地称为“基因剪刀” ， 使得人类掌握了简便可行的基因“操控术” 。
然而 ， 要更便捷地操控基因编辑 ， 需要一个“便捷按钮” ， 让人们按一下就能启动 ， 再按一下就能关闭 ， 推动其走进“自动化时代” 。 尤其当基因编辑要走进临床应用 ， 必须要具有灵活、高精度的操控方法 ， 才能使其更具安全性 。
“实现光控”需要在基因编辑前装一个“光感装置”用于“引爆” ， 这个装置长什么样子？有哪些零件？
在红细菌中有一种蛋白BphS ， 它在接收到远红光的信号后会被激活 ， 释放一个信号 。 而在放线菌里的蛋白BldD ， 接收到这个信号后能与DNA序列结合 。
“我看到这个信息的时候 ， 觉得非常兴奋 。 前一种蛋白让光和生物体‘接上头’ ， 后一种蛋白又‘链接’上了DNA 。 ”叶海峰说 ， 这种“跨界打通”意味着有很多工作可做 ， 因为只要信号能传导到DNA ， 就能推进生物学的操控 。
叶海峰团队以放线菌中的BldD蛋白为基础 ， 将其亲和DNA序列与哺乳动物的转录激活子融合 ， 创制了一个杂交型的转录激活子 ， 这一开关成为按下基因编辑“启动键”的关键元件 。
这一元件的前方设置了光敏蛋白 ， 接收光信号；后方连接上“基因剪刀”Cas9核酸酶 。 这个巧妙的设计使得整个系统只有感光后 ， 才能够启动基因编辑 。 光控基因编辑的“图纸”就此设计完成 。
验证上百种序列 拼出远红光操控的编辑系统
理论“图纸”和关键元器件都已准备就绪 ， 叶海峰团队开始用合成生物学的方法对这些关键元器件进行组装 。
令人意想不到的是 ， 在细胞水平的验证中 ， 基因编辑并没有因为光的有无而产生明显的变化 ， 远红光照射没能刺激Cas9核酸酶的高量表达 ， 熄灭光源也没有阻止基因编辑工作 。
问题出在了哪里？按照“图纸”设计 ， 整个流程应该是无懈可击的 。
叶海峰百思不得其解 。 “这一研究工作我们持续推进了5年 ， 有的关键性问题如果不能解决将会耽误整个研究的进展 。 ”叶海峰说 ， 合成生物学要在活体内运转 ， 会有很多无法排查的意外 。 它不像编程 ， 跑一遍会有纠错 ， 或者至少会提示哪个部分出现“BUG” 。
这次的“BUG”出现在哪里？启动基因的工作被相继验证 。 2017年、2018年 ， 叶海峰课题组在《科学·转化医学》《美国科学院院刊》相继发表论文 ， 证明了远红光调控转基因表达控制系统的可行性以及基因编辑CRISPR-dCas9酶的转录激活都是可行的 。
“我们试验了各种方案 ， 但整个系统的运行却都失败了 。 ”叶海峰说 ， 这个结果意味着需要对策略进行根本性的调整 。
直到有一天 ， 叶海峰在《自然·生物技术》上看到一篇张锋（基因编辑技术发明人之一）的文章 ， 上面说基因编辑的Cas9核酸酶可以一拆为二 ， 拆开来之后的两半再合起来也是有功能的 。分页标题#e#
“受到这样的启发 ， 我们就想可不可以把它拆成两半 ， 一半是连续的强表达（自始至终一直表达） ， 另一半用光驱动调控来表达 。 ”叶海峰说 ， 就像“钥匙”的两半拼在一起才能开锁一样 。
“拼”这个动作又要怎么自动实现呢？叶海峰想到了热纤维梭菌中的一对能够自发相互结合的蛋白Coh2和DocS 。 让它们加入进来 ， 分别与Cas9的两部分融合 ， Coh2和DocS就会像“磁石”一样 ， 将Cas9的两部分拼装成完整、有功能的Cas9核酸酶 。
“究竟是哪一半用光来调控诱导表达 ， 都是有说法的 。 ”叶海峰回忆 ， 课题组对多种情况进行了试验 ， 至少进行了上百种不同序列的验证 ， 以寻找最佳光控基因编辑效果 。
“我们还对整个系统进行了优化 ， 例如质粒的浓度配比 ， 核输入信号和核输出信号的选择及组合等 ， 并在细胞水平进行了测试 。 ”叶海峰说 ， 经过严谨的优化 ， 实验结果最终令人满意 ， 并将其命名为“FAST系统” 。
【叶海峰|厉害！LED照一照 “基因剪刀”就能指哪剪哪】研究结果显示 ， FAST系统在LED发射的低强度远红光照射下可以诱导细胞内的基因编辑 ， 而在黑暗情况下保持“静默”的效果也很好 。
进一步研究表明 ， FAST系统在多种细胞中均显示出可调控的基因编辑效果 ， 并具有很好的光照强度和时间依赖性 ， 以及高度的时空特异性 ， 为研究FAST系统在动物体内的可调控基因编辑能力奠定了基础 。
“我们至今也不太清楚为什么直接调控表达完整Cas9核酸酶的系统不成功 。 ”叶海峰说 ， 不按程序走 ， 这就是生命科学的神奇之处 ， 而合成生物学正是在破解这些意外中积累起来 ， 最终解决更大的科学命题 。
光照时间太长 活体高效递送还需“打怪升级”
生命体是复杂的 ， 在细胞水平运转良好的系统在活体中能不能工作 ， 仍面临着重重挑战 。 为此 ， 在进行了细胞验证后 ， 研究团队还进行了转基因报告模型小鼠和肿瘤模型小鼠的验证工作 。
“让整个系统在活体中工作 ， 会遇到新的问题 ， 比如递送的问题 。 ”叶海峰解释 ， FAST系统由好几个质粒组成 ， 它们进入细胞比较简单 ， 但能不能突破重重阻碍进入到组织细胞里面呢？比如高效递送到肝脏和肿瘤组织里面 ， 就需要借助于递送系统 ， 而且递送的效率直接决定整个系统的工作效率 。
“研究推进时 ， 递送技术是又一个难题 ， 我们最初直接通过静脉注射 ， 效果却不是那么好 。 ”叶海峰说 ， “细胞中工作的质粒在进入活体的时候受到了阻碍 ， 因为整个系统承载的元件太多 ， 所有元件同时递送的效率不能保证 ， 且质粒会被机体认为是外来物而被清除掉 。 ”
想进入活体 ， 整个系统还需要再调整 。 “这就好比原来坐的卡车太大了、目标明显 ， 需要换乘一个‘特洛伊木马’潜进去 。 ”叶海峰说 。
研究团队后来在合作团队的帮助下 ， 使用另一种更小的、能够整合进细胞里的质粒进行递送工作 。 实验结果中 ， 转基因小鼠在肝脏部位显示出了基因编辑的报告情况 ， 表明小鼠肝脏细胞中DNA可通过光控编辑 。
实体瘤是比组织器官更致密的组织 ， 进入其中则需要进一步升级递送系统 。
“为了把FAST系统高效递送到肿瘤组织细胞里面 ， 我们与浙江大学专门制作DNA分子递送的团队合作 ， 用纳米技术合成的材料实现了向肿瘤组织的高效递送 。 ”叶海峰说 。
在肿瘤小鼠模型中的验证结果显示 ， 将FAST系统递送至小鼠体内的肿瘤后 ， 通过远红光LED的照射 ， FAST系统能切割肿瘤致癌基因 ， 从而显著抑制肿瘤的生长 。
再好的技术只有走进应用才能实现价值 。 “之所以希望实现光控 ， 初心就是希望推进广泛的应用 。 ”叶海峰说 ， 实验也证明了远红光可以透过小鼠的皮肤进入到小鼠的肝脏内部 ， 甚至进入到实体瘤内部 。 这意味着FAST系统有疾病治疗的应用潜力 。分页标题#e#
叶海峰表示 ， 团队仍在进一步优化光控基因表达系统 ， 例如现在的光控系统需要光照2小时才能工作 ， 而未来希望得到改进后 ， 照射几秒就能产生效果 。 （张佳星）

来源：(新华网)

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