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，其具有远程无痕、时空特异性、可调节性和可逆性等特点。目前被广泛应用于生物基础研究，如控调控基因组转录活性、重组信号通路、控制核酸酶的活性，此外也广泛应用于生命医学领域，如糖尿病治疗、肿瘤治疗等。

其中红光因具有较高的生物相容性和组织穿透性备受关注。2017年，来自华东师范大学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，该研究构建了一种利用远红光来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[1]；2021年，在Nature Biotechnology 发表题目的研究论文，开发了REDMAP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 (1s) 动力学的特点[2]。

然而现有的红光调控工具在临床应用中仍然具有很大的局限性，比如光控模块大，响应光的速度慢，需要外源注射色素分子等问题，2024年11月27日，华东师范大学生命学院、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 杂志上发表题目为 "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[3]（图一）。

图二. 新一代光遗传学工具REDLIP系统设计原理及不同应用场景（图源自Nature Communications）

DrBphP是一种来自来源于耐辐射球菌（Deinococcus radiodurans）的光敏蛋白，它由一个核心N端PCM结构域和一个C端组氨酸激酶结构域组成。DrBphP PCM与色素（biliverdin IXα, BV）共价结合后在红光（660 nm，Pr状态）和红外光（780 nm；Prf状态）之间切换时可以发生可逆的构象变化，并能够与纳米抗体LDB3相互结合、解离[4]。相较于来源于细菌光敏蛋白，真菌（FphA）和植物（PhyA）的光敏蛋白在N端多了一段NTE序列，有研究表明，NTE结构能够维持光敏蛋白在660 nm光照后的构象（Pfr状态）状态，减缓其暗回复[5]。于是，研究人员将来源于FphA和PhyA的NTE结构分别和DrBphP-PCM进行杂交融合，生成了嵌合光敏蛋白FnBphP和PnBphP。

随后分别将GAL4的DNA结合域融合在BphP的N端构建出可响应红光/远红光的模块（Gal4-BphP），将LDB3与转录激活因子（p65-HSF1）融合形成一个光依赖的转录激活因子（LDB3-p65-HSF1），当给予红光（660 nm）光照时，LDB3-p65-HSF1与Gal4-BphP二聚，进入细胞核后识别报告质粒上的5×UAS区，在PTATA附近吸引RNA聚合酶，启动报告基因SEAP表达；换成远红光（780 nm）时，LDB3-p65-HSF1与Gal4-BphP分开，停止表达报告蛋白（图二）。

图三. REDLIP光照不同时间的动力学（图源自Nature Communications）

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(图三)。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。

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 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（图四）。

图四. 智能手机控制 LED 贴片用于减肥激素的可控释放（图源自Nature Communications）

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。

华东师范大学生命科学学院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（现在单位：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，课题组其他成员：王智浩，孔德强，余贵玲也做出了重要贡献。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。

参考文献：

[1].Shao, J. et al. Smartphone-controlled optogenetically engineered cells enable semiautomatic glucose homeostasis in diabetic mice. Sci. Transl. Med. 9, eaal2298 (2017).

[2].Zhou, Y. et al. A small and highly sensitive red/far-red optogenetic switch for applications in mammals. Nat. Biotechnol. 40, 262-272 (2022).

[3].Qiao, L. et al. A sensitive red/far-red photoswitch for controllable gene therapy in mouse models of metabolic diseases. Nat. Commun 15, 10310 (2024).

[4].Huang, Z. et al. Creating Red Light-Switchable Protein Dimerization Systems as Genetically Encoded Actuators with High Specificity. ACS Synth Biol. 9, 3322-3333 (2020).

[5].Gourinchas, G. et al. Influence of the N-terminal segment and the PHY-tongue element on light-regulation in bacteriophytochromes. J. Biol. Chem. 294, 4498-4510 (2019).

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-024-54781-2 

Tags： 叶海峰课题组Nature子刊：新型光遗传学技术，实现光照减肥！