科学家们一直在寻找如何精确控制基因表达的方法，这对于生物合成和基因细胞治疗等领域至关重要。最近的一项研究发现，来自植物的光敏色素伴侣蛋白可以在哺乳动物细胞中发挥重要作用。
2024年6月8日，华东师范大学生命科学学院、上海市调控生物学重点实验室、医学合成生物学研究中心叶海峰团队在 Nature Communications 期刊发表了题为“Exploring plant-derived phytochrome chaperone proteins for light-switchable transcriptional regulation in mammals”的研究长文。该研究首次发现植物来源的光敏色素伴侣蛋白在哺乳动物细胞中具备转录激活子活性，进一步开发出了一种新型的光开关转录调控系统（PTRC），为生命科学基础研究和生物医学工程应用研究带来了更大的可能性。
Nature Communications 刊登叶海峰团队科研成果
PTRC系统的诞生还要从一次“失败的实验”说起，早在2019年设计开发REDMAP系统（该工作2022年已发表在 Nature Biotechnology 上，DOI: https://doi.org/10.1038/s41587-021-01036-w）时，科研人员发现无论光照还是黑暗，报告基因的表达几乎没有变化，都处于一个持续激活的状态，甚至一度认为 PhyA 与 FHY1 在黑暗状态下也会结合。经过后来的仔细分析，发现黑暗状态下能持续激活的组合都是 FHY1 与 DNA 结合结构域融合表达的组。因此科研人员大胆推测 FHY1 这个植物来源的蛋白可能在哺乳动物细胞中具有转录激活活性。
为了验证该猜想，通过与不同的 DNA 结合结构域进行融合，研究团队在哺乳动物细胞和小鼠中验证了来自拟南芥的光敏伴侣蛋白 FHY1 和 FHL 具有转录激活子的功能，并利用其与 PhyA 在光照下可异源二聚的能力，构建了一个可在光照条件下切换的转录调控复合体（PTRC）。在红光和远红光的照射下，PTRC 可以在活跃和非活跃状态之间切换，就像我们按下电灯开关一样简单。
为了验证这种光敏系统的有效性，研究人员将其与一种被称为 CRISPRa 的基因编辑工具结合，开发出了一种能够精确控制基因表达的新平台。通过这种平台，科学家们可以使用光线来调节基因的表达，从而实现更加灵活和精确的基因调控。
此外，研究团队还将 PTRC 系统与其他基因表达调控模块结合，如化学小分子或蓝光诱导模块，构建了多种高度可调控的系统。这些系统不仅在实验室环境中表现出色，还在活体动物实验中展示了其快速且可逆的基因调控能力。
这种创新性的研究为合成生物学和生物医学工程带来了新的希望。通过引入植物来源的光敏色素伴侣蛋白，科学家们开发出了一种强大而多功能的工具，为未来的高级研究和医学应用奠定了基础。这一突破性成果犹如给基因表达的“开关”插上了智慧的插头，使其变得更加灵活和高效。
PTRC系统原理图
华东师范大学生命科学学院2020级博士生孔德强，华东师范大学附属芜湖医院博士后周阳以及华东师范大学生命科学学院2021级硕士研究生魏雨为共同第一作者，叶海峰研究员与管宁子副研究员为论文的共同通讯作者。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重大项目的资助。
附：
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-49254-5
新闻原文：