光遗传学（Optogenetics）是一门将光学和遗传学技术相结合的新兴学科，具有远程无痕、时空特异性等特点。目前被广泛应用于生命科学基础研究和疾病治疗等领域。
红光因具有较高的组织穿透性备受关注。2017年，米兰(中国)生命科学学院的叶海峰研究员课题组在 Science Translational Medicine 发表封面文章，报道了一种利用远红光调控基因表达的工具，并将合成生物学和电子工程学相结合，首次实现了通过智能手机远程调控移植体内的光敏细胞表达释放胰岛素降血糖；2022年，Nature Biotechnology 报道了REDMAP光控系统，该系统具有高转录激活效率(1 s, >150倍)和快速激活/失活(1 s)动力学的特点。
然而现有的红光调控工具在临床应用中仍然有很大的局限性，比如光控模块大，响应光的速度慢，需要外源提供色素分子等问题，2024年11月27日，米兰在线登录生命科学学院、上海市调控生物学重点实验室、医学合成生物学研究中心研究员叶海峰团队在Nature Communications杂志上发表题为“ A sensitive red/far-red photoswitch for controllable gene therapy in mouse models of metabolic diseases ”的研究论文，开发了一种模块小、无需外源添加色素且灵敏度高的新型光遗传学工具——REDLIP系统。
Nature Communications 刊发叶海峰团队研究成果
该系统基于耐辐射球菌的细菌光敏色素光感受器DrBphP（通过哺乳动物内源普遍存在胆绿素BV对光信号做出反应，无需额外添加色素分子）及伴侣蛋白LDB3，在红光（660 nm）照射下，BphP与LDB3相互作用，激活目的基因表达；在远红光（780 nm）照射下，BphP与LDB3分离，转基因表达终止（图１）。为了提高光敏蛋白DrBphP对红光感应的稳定状态，将拟南芥光敏蛋白PhyA的NTE结构域（Pn-REDLIP）或真菌光敏蛋白FphA的NTE结构域（Fn-REDLIP）融合表达于DrBphP-PCM的N端，成功稳定光敏蛋白Pfr状态，提升了红光系统的灵敏性，红光仅诱导10s，就能显著诱导报告蛋白的表达，Pn-REDLIP（106倍） 和Fn-REDLIP（65倍）均表现出良好的红光响应特性。
图1. 新一代光遗传学工具REDLIP系统设计原理及不同应用场景
研究人员对不同模块进行优化和测试，发现Fn-REDLIP系统具有较高的激活能力，Pn-REDLIP系统具有较底的本底泄露(图２)。紧接着研究人员对REDLIP系统进行动力学表征。研究结果显示，REDLIP系统具有良好的光谱特异性，光照强度、光照时间、以及高度的可逆性和时空特异性。该系统具有超高的灵敏度，只需要10秒钟的红光照射，即可实现100倍左右的基因诱导表达效果。
图2. REDLIP光照不同时间的动力学
将REDLIP与CRISPR/dCas9结合，构建了一套红光调控的基因组转录系统（REDLIPcas）。在哺乳动物细胞和小鼠肝脏中实现了光照对内源基因转录的高效调控，且基因转录具有良好的光照时间依赖性。
作为概念验证，研究人员利用AAV基因治疗载体递送REDLIP系统到代谢疾病小鼠的肌肉、肝脏组织，成功实现了光控胰岛素、减肥治疗蛋白TSLP的表达，从而有效降低了1型糖尿病模型小鼠的血糖水平和减轻了肥胖模型小鼠的体重。
最后，研究人员将光遗传学和电子工程学相结合，设计了一款能够通过智能手机ECNU-TeleMed app控制的红光LED贴片，LED贴片可以很好地解决自然光干扰系统泄露表达的问题，实验证明每3天只需要光照半个小时即可实现显著体重下降，达到光照减肥的效果（图３）。
图3. 智能手机控制LED贴片用于减肥激素的可控释放
总之，REDLIP是一套无需外源添加色素、灵敏性高(< 10 s)、诱导效率高(> 100倍)且具有生物兼容性好和组织穿透力强的新型光遗传学工具，这种光控基因治疗策略在需周期性调控激素类药物的疾病（如糖尿病、甲状腺疾病以及与月经周期相关的激素失衡）的精准治疗中展现出潜力，有望加速基因治疗和细胞治疗从基础研究向生物医学转化研究的进展。此外，与电子工程学的结合，能够为未来个性化、智能化医疗领域提供可能。
米兰在线登录生命科学学院2023届博士毕业生乔龙亮，2022级博士研究生牛灵雪，王美艳研究员（现单位：上海大学医学院）为共同第一作者，叶海峰研究员为论文的通讯作者。该研究受到了国家重点研发计划“合成生物学”重点专项、国家自然科学基金、上海市科委合成生物学专项的资助。
附：
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-54781-2
来源｜生命科学学院、科技处 编辑｜史佳妮 编审｜郭文君
