Chemical Science:合肥研究院等在光遺傳學(xué)工具開發(fā)方面取得新進(jìn)展

　　近日，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強(qiáng)磁場科學(xué)中心研究員王俊峰課題組與美國德克薩斯大學(xué)教授黃韻、周育斌課題組合作，研發(fā)了一種能夠利用可見光在納米尺度上精確調(diào)控細(xì)胞器之間連接的新型光遺傳學(xué)工具。本文威正翔禹/締一生物為您分析Chemical Science:合肥研究院等在光遺傳學(xué)工具開發(fā)方面取得新進(jìn)展。

    該工作以O(shè)ptical Control of Membrane Tethering and Interorganellar Communication at Nanoscales為題，作為封面文章發(fā)表于英國皇家化學(xué)會期刊Chemical Science（2017，8， 5275-5281）。

　　內(nèi)質(zhì)網(wǎng)是真核細(xì)胞內(nèi)重要的細(xì)胞器，是由雙層膜組成的腔體結(jié)構(gòu)。它與細(xì)胞內(nèi)其它各種不同的膜組分（質(zhì)膜、線粒體膜等）有著動態(tài)的相互作用和信息交流，形成了一個巨大的細(xì)胞內(nèi)膜網(wǎng)絡(luò)。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與質(zhì)膜之間，通過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的膜蛋白識別質(zhì)膜內(nèi)側(cè)特異性分布的磷脂肌醇，形成距離為10-40納米的膜接觸位點(diǎn)（membrane contact site）。膜接觸位點(diǎn)在膜運(yùn)輸、鈣離子穩(wěn)態(tài)和脂代謝等許多細(xì)胞生理過程中發(fā)揮了非常重要的作用，是近年來的一個新興研究熱點(diǎn)。但由于缺乏有效的實(shí)驗(yàn)工具，對膜接觸位點(diǎn)形成機(jī)理和功能的研究十分有限。

　　光遺傳學(xué)是利用光學(xué)和遺傳學(xué)來控制蛋白活性和細(xì)胞功能的一項(xiàng)生物學(xué)技術(shù)，具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，例如光遺傳學(xué)的可操作性好、實(shí)時可逆，定位精準(zhǔn)、對細(xì)胞組織無創(chuàng)傷等。為了更好研究膜接觸位點(diǎn)的功能，兩個課題組開發(fā)了一種用藍(lán)光調(diào)控，可在細(xì)胞質(zhì)與質(zhì)膜之間穿梭的光遺傳學(xué)工具——OptoPB。OptoPB是一個主要由光敏蛋白LOV2和Polybasic（PB）域組成的融合蛋白。在黑暗中，N端的LOV2像一把鎖，將C端的PB蛋白鎖定在核心結(jié)構(gòu)上。經(jīng)過藍(lán)光照射，LOV2末端的Jα螺旋在幾秒內(nèi)被解構(gòu)打開，將PB蛋白釋放。因PB蛋白富含精氨酸、賴氨酸之類的堿性氨基酸可以與質(zhì)膜內(nèi)側(cè)帶酸性的磷酸肌醇磷脂PI（4，5）P2和/或PI（3，4，5）P3發(fā)生相互作用，從而把蛋白錨定至質(zhì)膜。撤去光照之后，OptoPB可以在1分鐘內(nèi)迅速從質(zhì)膜上回落并彌散在細(xì)胞質(zhì)中。

　　利用核磁共振和分子動力學(xué)模擬手段對黑暗條件下的OptoPB蛋白建模后，課題組發(fā)現(xiàn)LOV2表面有兩個帶有負(fù)電荷的結(jié)合口袋，可以很好地將具有強(qiáng)正電荷的PB蛋白限制在LOV2核心結(jié)構(gòu)域上，從而不與質(zhì)膜發(fā)生結(jié)合。在光照條件下，OptoPB能夠迅速地轉(zhuǎn)移至質(zhì)膜附近。整個穿梭過程可以通過明暗交替操作達(dá)到可逆控制。為了進(jìn)一步調(diào)控內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與質(zhì)膜的膜接觸位點(diǎn)的形成，兩個課題組合作在OptoPB的N端插入了內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜定位的序列，形成了內(nèi)質(zhì)網(wǎng)跨膜蛋白OptoPBer。同時為了精確地調(diào)控內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與質(zhì)膜之間形成的膜接觸位點(diǎn)的距離，在OptoPBer與跨膜區(qū)之間加入了不同數(shù)量的（EAAAR）4n α-螺旋序列（n=1-8）。在藍(lán)光照射下，由于插入（EAAAR）4數(shù)量的不同，可以有效地控制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與細(xì)胞膜之間形成約為10至40納米的空間距離。利用此項(xiàng)獨(dú)特的設(shè)計(jì)，兩個課題組在納米數(shù)量級成功地實(shí)現(xiàn)了用藍(lán)光來遙控內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和質(zhì)膜接觸位點(diǎn)的間距，并控制其相關(guān)的功能。

　　該研究的意義在于可以通過光這種非侵入性、在時間與空間上具有高度可操作性的刺激源，來完成蛋白質(zhì)的亞細(xì)胞定位高效、可逆地控制蛋白質(zhì)的亞細(xì)胞定位、磷酸肌醇磷脂代謝以及細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng)之間的接觸位點(diǎn)的形成。這一實(shí)驗(yàn)技術(shù)擺脫了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)技術(shù)手段的束縛，讓復(fù)雜、難以調(diào)控的生命活動，可在藍(lán)光的控制下模擬進(jìn)行，具有十分廣泛的應(yīng)用前景。同樣，光遺傳學(xué)蛋白質(zhì)工程方法可以進(jìn)一步拓展至其它亞細(xì)胞器之間膜接觸位點(diǎn)的研究。為研究者調(diào)節(jié)蛋白與膜相互作用、膜與膜之間細(xì)胞信號通路轉(zhuǎn)導(dǎo)等提供了新型有效的技術(shù)手段。

　　王俊峰課題組博士后朱磊和周育斌課題組博士研究生何漣、荊吉是該文章的共同**作者，王俊峰、周育斌和黃韻為共同通訊作者。該研究得到了國家自然科學(xué)基金、科技部、中國國家留學(xué)基金委項(xiàng)目的資助，部分實(shí)驗(yàn)依托穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場大科學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置完成。

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