首次成功利用光遗传学治疗不育

目前，来自欧洲高级研究中心的科学家们，首次成功地通过光遗传学来控制精子的功能。他们将一种用于cAMP合成的光激活酶，插入缺乏内源酶的小鼠精子。这些小鼠的精子通常是非运动性的，因此小鼠是不育的。用蓝光刺激这些精子之后，它们能够产生cAMP，开始再次游动，甚至能够使卵细胞受精。相关研究结果发表在最近的国际著名学术期刊《eLife》。

　　

生物通报道：目前，来自欧洲高级研究中心的科学家们，首次成功地通过光遗传学来控制精子的功能。他们将一种用于cAMP合成的光激活酶，插入缺乏内源酶的小鼠精子。这些小鼠的精子通常是非运动性的，因此小鼠是不育的。用蓝光刺激这些精子之后，它们能够产生cAMP，开始再次游动，甚至能够使卵细胞受精。利用光遗传学技术，科学家现在不仅能够控制离子流入神经细胞，从而控制它们的活性，而且还能控制其他类型细胞中的信号通路。相关研究结果发表在最近的国际著名学术期刊《eLife》。

用光来控制细胞，一直以来都是科学家的一个夙愿。光可以被迅速打开和关闭，并且不会干扰自然的细胞过程。实现这一目标的最大障碍是，找到一种方法，为细胞提供“光开关”。在2002年，三位德国科学家——Peter Hegemann、Ernst Bamberg和Georg Nagel证明，一种单细胞绿藻的光敏膜蛋白是离子通道，并将它们称为channelrhodopsins。Channelrhodopsins可以通过基因工程方法被插入到细胞中，从而使我们有可能用光来控制细胞。这一发现建立了一个新的研究领域，被称为光遗传学。相关阅读：Neuron：用光操纵记忆？

光遗传学主要是用光控制含有channelrhodopsin的神经细胞的电活动。同时，光遗传学“工具箱”一直不断扩大，因此现在有可能打开或关闭细胞中信使介导的信号通路。一种重要的细胞信使是磷酸腺苷AMP（cAMP），它控制着大范围的功能，例如心率、嗅觉、学习、记忆形成和卵细胞受精。这种物质是通过称为腺苷酸环化酶的酶而合成的。

在2002年，第一个光激活的腺苷酸环化酶（PAC，光激活的腺苷酸环化酶）被发现。从那时起，研究人员已经遇到了更多这样的酶。最突出的例子是bPAC，来自土壤细菌的一个光门控腺苷酸环化酶，是由柏林洪堡特大学的Peter Hegemann发现的。

欧洲高级研究中心的科学家们与Peter Hegemann合作，在Benjamin Kaupp和Dagmar Wachten的带领下，制备了一种转基因小鼠，它的精子含有光激活腺苷酸环化酶bPAC。卵细胞的受精与cAMP的合成密切相关。缺乏内源性腺苷酸环化酶的精子不能游动：小鼠是不育的。然而，如果用蓝光刺激bPAC精子，cAMP浓度就会增加，精子游动地更快，因为精子尾部跳动的更快。

然而，研究人员的目标不仅是用光控制精子的游泳运动；他们还想用光来调节受精作用。因此，他们将bPAC插入缺乏用于cAMP生产的内源性酶的小鼠突变体精子中。这些小鼠的精子是不能游动的，雄性小鼠是不育的。然而，用蓝光进行刺激之后，精子开始再次游动，甚至可以使卵细胞受精。因此，我们有可能用光控制一些像受精这样基本的事情。因此可以说，光遗传学征服了神经科学以外的另一个领域。

（生物通：王英）

生物通推荐原文摘要：
Controlling fertilization and cAMP signaling in sperm by optogenetics
Abstract: Optogenetics is a powerful technique to control cellular activity by light. The light-gated Channelrhodopsin has been widely used to study and manipulate neuronal activity in vivo, whereas optogenetic control of second messengers in vivo has not been examined in depth. In this study, we present a transgenic mouse model expressing a photoactivated adenylyl cyclase (bPAC) in sperm. In transgenic sperm, bPAC mimics the action of the endogenous soluble adenylyl cyclase (SACY) that is required for motility and fertilization: light-stimulation rapidly elevates cAMP, accelerates the flagellar beat, and, thereby, changes swimming behavior of sperm. Furthermore, bPAC replaces endogenous adenylyl cyclase activity. In mutant sperm lacking the bicarbonate-stimulated SACY activity, bPAC restored motility after light-stimulation and, thereby, enabled sperm to fertilize oocytes in vitro. We show that optogenetic control of cAMP in vivo allows to non-invasively study cAMP signaling, to control behaviors of single cells, and to restore a fundamental biological process such as fertilization.