LightOn:一種全新的光激活操控系統
日期:2012-03-16 10:33:30
3月《Nature Methods》特別介紹了一位來自中國的青年科學家:華東理工大學藥學院及國家生物反應器工程重點實驗室特聘教授楊弋,楊弋教授早年畢業于清華大學,2006年回國受聘于華東理工大學。近期其研究組在Nature Methods上發表文章,成功開發出一種簡單、穩定、容易使用的光調控基因表達系統。這項研究吸引了大家的關注,對此Nature Methods還特別介紹了楊弋教授,講述了其中的背景故事。
上篇: Nature人物:華東理工楊弋
論文發表
在2011年,中國的兔年,楊弋和他的學生開始準備論文發表,這一時間對于楊弋來說具有特殊的意義,因為他就在上一個兔年:1999年離開祖國,赴美留學。楊弋用一種特殊的方式紀念兔年——蛋白二聚體,“我們畫出了蛋白二聚體,它就像只兔子。”
除此之外,這一新系統的名字也具有額外的意義。“LightOn”系統模擬了另一常用的基因誘導系統:Tet-On(一種由四環素激活的系統)。與目前已有的光激活基因表達系統相比較,LightOn具有幾方面的優點,除了可以在哺乳動物細胞和整體動物中,無需額外添加化學物質激活基因表達之外,LightOn還能利用一個正交于哺乳動物細胞信號途徑的單外源蛋白,并且在光照射下能提高目標基因表達量200倍!而且光的波長,位置和時間長短還能調控基因表達的水平,以及將表達引導到目標器官。除此之外,這種二聚體能在幾個小時內結構,因此研究人員能在同一小鼠中進行多項實驗,減少實驗動物的數量。
楊弋還指出使用這種系統的成本并不高,“我們在淘寶上買了所需的燈具和開關,自己組裝。不用50美元就完成了光照明操控系統的安裝設備”,這很簡單,“在第一次實驗的時候,我們都是業余的,因此這個實驗在每個實驗室中都能進行。”
重要意義
這種LightOn系統是由一種光調控的轉錄因子和含有目的基因的轉錄單元構成。在藍光存在的情況下,轉錄因子能夠迅速被激活,從而啟動目的基因的轉錄與表達。該系統不僅具有誘導表達效率高、背景低、激活快、表達量可調節等普通誘導表達系統也具有的優點,而且能夠在時間和空間上的精確、可逆地控制目標基因的表達水平。
研究組利用該系統在小鼠活體內進行實驗,實現了紅色熒光蛋白在小鼠肝臟的指定區域的光控表達。與此同時,他們還用光來控制胰島素的表達與分泌,成功地將患有I型糖尿病小鼠的血糖降到較低水平。由于這些優點,該第三代基因表達系統將可使人類以前所未有的精度在調控目的基因的表達,進而控制各種生命活動,可為發育、神經生物學的復雜生物學問題解析提供有力研究工具,也為干細胞三維定向分化與人工器官構建、時間劑量可調的基因治療等前沿醫療領域提供新的思路。(文章標題:Spatiotemporal control of gene expression by a light-switchable transgene system)
楊弋研究組近年來致力于利用化學生物學理念,發展可原位、實時、動態地控制與監測細胞內分子過程與新陳代謝的新方法。在前期的研究中,他們建立了針對二硫鍵、相鄰巰基等蛋白質巰基氧化還原形式的熒光探針及原位與活細胞成像技術,并揭示了線粒體活性氧對這些巰基修飾形式中的重要調控作用,為心血管、炎癥等疾病的機制研究提供了重要的工具。
之后他們還針對細胞代謝研究的技術瓶頸問題,發明了系列特異性檢測核心代謝物NADH的基因編碼熒光探針,實現了活細胞各亞細胞結構中對細胞代謝的動態檢測與成像,不僅可為細胞、發育等基礎研究提供創新方法,也為癌癥和代謝類疾病的機制研究與創新藥物發現提供了有力工具。
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