新技術(shù)能快速地打開和關(guān)閉基因，這有助于科學(xué)家更好地了解基因的功能。
馬薩諸塞州劍橋市——雖然人類細(xì)胞估計(jì)約有2萬個(gè)基因，但其中僅有一部分可根據(jù)細(xì)胞的需要在任何給定的時(shí)間里開啟——它們的狀態(tài)可在1分鐘或1小時(shí)內(nèi)發(fā)生改變。為了查明那些基因正在干什么，研究人員就必須要有在同樣短的期限內(nèi)能操控基因狀態(tài)的工具。
現(xiàn)在，由于麻省理工學(xué)院（MIT）和博德研究所（Broad Institute）開發(fā)了一種新技術(shù)，已可能通過對(duì)細(xì)胞簡(jiǎn)單地進(jìn)行光照，就可以快速地啟動(dòng)或停止任何感興趣基因的表達(dá)。
這項(xiàng)研究是基于一種稱為光遺傳學(xué)的技術(shù)進(jìn)行的，這種技術(shù)利用了一些蛋白質(zhì)在對(duì)光照的反應(yīng)中會(huì)改變它們功能的特性。研究人員使光敏感蛋白，適應(yīng)于在光照之后，幾乎立刻地剌激或抑制特定目標(biāo)基因的表達(dá)。
MIT腦和認(rèn)知科學(xué)研究生西爾瓦娜·卡萘美（Silvana Konermann）說：“細(xì)胞在一個(gè)相當(dāng)短的時(shí)限內(nèi)，會(huì)發(fā)生很具活力的基因表達(dá)，但迄今為止被用來干擾基因表達(dá)的方法，甚至還不能接近那些表達(dá)的動(dòng)態(tài)。為了更好地了解那些基因表達(dá)變化對(duì)基因功能的影響，我們的方法必須盡可能地與自然發(fā)生的表達(dá)動(dòng)態(tài)相匹配。”
具有精確控制特定時(shí)間和持續(xù)時(shí)間基因表達(dá)的能力，將會(huì)使我們更容易地搞清楚特定基因尤其是那些參與學(xué)習(xí)和記憶的基因的作用。
卡萘美和哈佛大學(xué)研究生馬克·布里格姆（Mark Brigham），是7月22日發(fā)表于《自然》在線版的描述這種技術(shù)論文的主要作者。該論文的資深作者是張鋒(Feng Zhang)，他是MIT生物醫(yī)學(xué)工程的W．M．凱克助理教授、博德研究所和MIT的麥戈文研究所從事腦研究的核心成員。
用光照射基因
新系統(tǒng)由幾個(gè)部分組成，它們彼此互相作用來控制DNA復(fù)制信使核糖核酸（mRNA），mRNA攜帶著對(duì)細(xì)胞其余部分的遺傳指令。首先，是一種稱為轉(zhuǎn)錄因子樣效應(yīng)基因（TALE）的DNA-結(jié)合蛋白。TALEs是模塊化蛋白，它能以一種定制方式串在一起，來結(jié)合任何的DNA序列。
與TALE蛋白融合的是一種稱為CRY2的光敏感蛋白，它天然地存在于一種小型的開花植物擬南芥中。當(dāng)光脈沖擊中CRY2時(shí)，它就改變形狀并與其稱為C1B1的天然伙伴蛋白相結(jié)合。為了利用這一點(diǎn)，研究人員設(shè)計(jì)制成了一種形態(tài)的C1B1，再將其與另一種蛋白融合，這種融合的蛋白就能激活或抑制基因的復(fù)制。
一些基因把這些成分遞送給細(xì)胞以后，使TALE發(fā)現(xiàn)目標(biāo)DNA并包裹它。當(dāng)光照射細(xì)胞時(shí)，CRY2蛋白就與C1B1結(jié)合，在細(xì)胞內(nèi)漂浮。C1B1激發(fā)一種基因活化劑，啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄即把DNA復(fù)制為mRNA。或者，C1B1可攜帶一個(gè)阻抑蛋白，阻斷這個(gè)過程。
單個(gè)的光脈沖，足以剌激C1B1蛋白結(jié)合CRY2并啟動(dòng)DNA的復(fù)制。研究人員發(fā)現(xiàn)，大約每分鐘給予光脈沖，是在所需時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)連續(xù)轉(zhuǎn)錄的最有效方式。光脈沖照射的30分鐘內(nèi)，研究人員檢測(cè)到了目標(biāo)基因中產(chǎn)生mRNA數(shù)量的上揚(yáng)。一旦光脈沖停止發(fā)送，大約在30分鐘內(nèi)mRNA開始降解。
這項(xiàng)研究中，研究人員已針對(duì)近30個(gè)不同的基因進(jìn)行了試驗(yàn)，既有實(shí)驗(yàn)室中培養(yǎng)的也有動(dòng)物活體中生長的神經(jīng)元中的基因。一個(gè)基因通常地能夠表達(dá)多少，這隨目標(biāo)基因而定，研究人員能提高一個(gè)因子的轉(zhuǎn)錄2-200倍。
斯坦福大學(xué)生物工程教授、光遺傳學(xué)的發(fā)明人之一卡爾·戴瑟羅特（Karl Deisseroth）說，該技術(shù)的最重要?jiǎng)?chuàng)新，是使科學(xué)家可以控制細(xì)胞中自然存在的基因，而不是由科學(xué)家提供的工程基因。戴瑟羅特不是該研究團(tuán)隊(duì)的一分子，他說：“你可以在精確的時(shí)間里控制特定基因的位點(diǎn)，而且可以高時(shí)間精度來觀察各種反應(yīng)是如何發(fā)生的。”
表觀遺傳修飾
基因表達(dá)調(diào)控的另一重要內(nèi)容，是表觀遺傳修飾。表觀遺傳效應(yīng)物的一個(gè)主要類別，是稱為組蛋白的化學(xué)修飾蛋白質(zhì)，它能錨住染色體DNA并進(jìn)入和控制相關(guān)的基因。研究人員發(fā)現(xiàn)，他們也可以通過組蛋白修飾因子與TALE蛋白的融合，來改變這些表觀遺傳修飾。
表觀遺傳修飾，被認(rèn)為在學(xué)習(xí)和記憶的形成中起著關(guān)鍵的作用，但是由于沒有好的方法來短時(shí)間的阻斷整個(gè)基因組的組蛋白修飾，所以，對(duì)此沒有得到很好的探索。該技術(shù)提供了一個(gè)更加精確的方法，來干預(yù)單個(gè)基因的修飾。
張說：“我們希望，讓人們能夠證明基因組中特定表觀遺傳修飾的因果作用。”
到目前為止，研究人員已經(jīng)證明某些組蛋白效應(yīng)子的結(jié)構(gòu)域，可以被光敏感蛋白所拴住；他們現(xiàn)正嘗試擴(kuò)展組蛋白修飾的類型，并把其整合進(jìn)這個(gè)系統(tǒng)。
布里格姆說：“這將確實(shí)地有用于擴(kuò)展表觀遺傳標(biāo)記的數(shù)量，而且這是我們可以調(diào)控的。現(xiàn)在，我們已有一套成功的組蛋白修飾因子，它們當(dāng)中的許多，是我們和其他研究人員準(zhǔn)備希望能應(yīng)用于這種技術(shù)。”
這項(xiàng)研究得到休伯特·休梅克獎(jiǎng)學(xué)金；國家衛(wèi)生研究院（NIH）變革性R01獎(jiǎng)；NIH院長先鋒獎(jiǎng)；凱克、麥克奈特、法利、達(dá)蒙·羅尼恩、塞爾·斯加爾斯、克林根斯坦和西蒙斯基金會(huì)；以及鮑勃·梅特卡夫和簡(jiǎn)·波利的資助。
