照一束光就能控制基因重組，華東師大團隊研發光遺傳學新工具

自然光下的小鼠與遠紅光下的小鼠 本文圖均為 受訪者 供圖

繼7月10日在Science Advances 上發表遠紅光調控的分割型split-Cas9基因編輯系統後，7月24日，華東師范大學生命科學學院、華東師范大學醫學合成生物學研究中心葉海峰研究員團隊在學術期刊Nature Communications上發表最新研究成果——利用光遺傳學與合成生物學理念設計開發了一套遠紅光調控的分割型Cre-loxP重組酶系統(簡稱FISC系統)。

Cre-loxP重組酶系統是一種位點特異的基因重組技術，可以迅速而有效地實現各種生理環境下的基因定點插入、刪除、替換和倒位等操作，在擬南芥、水稻、果蠅、斑馬魚、小鼠等多種高等真核生物體內均被廣泛應用。

該研究成果是繼遠紅光控制細胞命運、遠紅光控制基因編輯之後，又一重要應用，拓寬了光遺傳學的應用領域。

傳統的Cre-loxP重組酶系統存在早期胚胎致死和長期表達的毒性問題。

為了解決毒性、組織穿透性差等問題，華東師范大學的研究人員以低強度的遠紅光外部照射作為控制手段（730nm，LED光源），實現了非侵入性、安全有效遠程無痕控制。

在課題組多年的研究經驗和積累之上，研究團隊將Cre重組酶分成CreN59和CreC60兩部分，它們在DocS與Coh2蛋白自發相互作用下，重新形成有功能的完整Cre重組酶，進而識別報告基因中loxP位點，切除阻止基因表達的STOP序列，從而啟動目的基因表達。而CreC60與DocS融合蛋白，被遠紅光誘導表達。

FISC系統工作原理

按照預期設計系統元件後，研究團隊人員在人胚胎腎細胞HEK-293中進行測試，發現結果並不理想，在黑暗條件下的背景過高。如何進一步降低本底的洩露至關重要。研究團隊人員通過優化不同啟動子，不同質粒量，蛋白間連接肽以及不同Cre重組酶作用序列，終於獲得了最優版本的FISC系統。

為了將該系統進一步用於臨床治療，研究團隊利用AAV病毒將FISC系統遞送到轉基因報告小鼠體內。通過觀察小鼠活體成像和肝髒成像發現，與黑暗組小鼠相比，光照組小鼠的熒光蛋白表達量更高。這充分說明，利用AAV載體，成功實現了FISC系統在小鼠體內的高效DNA重組。

研究人員表示，FISC系統成功在體內外實現了精準可控的基因改造，具有非侵入性、低毒性以及空間特異性。

該論文的通訊作者為華東師范大學生命科學學院葉海峰研究員。2017級博士研究生吳嘉麗、王美豔副研究員和已畢業2018屆碩士研究生楊雪平為該研究論文的共同第一作者。

研究團隊介紹，本研究是葉海峰課題組在光遺傳學應用上的進一步的研究成果。2017年，該課題組開發遠紅光調控的轉基因表達控制系統，並實現了智能手機遠程控制細胞釋放胰島素治療糖尿病的目標。2018年，該課題組在美國科學院院刊PNAS上報導了遠紅光調控的CRISPR-dCas9內源基因轉錄激活裝置（FACE），可實現表觀遺傳操控以及誘導幹細胞分化為功能性神經細胞。2020年，該課題組在Science Advances 上報導了一個遠紅光調控的分割型split-Cas9基因編輯系統（FAST），通過對小鼠腫瘤中的致癌基因進行編輯，成果實現了光控抑製腫瘤生長。