PNAS，Nature子刊两篇文章揭示了光控细胞活动的潜力

　　

Paul Scherrer Institute PSI的研究人员成功地阐明了特定光感受器的结构。在他们的帮助下，也许可以用光来开关细胞活动。这种能力可以成为生物学研究和医学应用的重要工具。

生物学和医学研究人员长期以来一直梦想着不用化学物质就能控制细胞的活动。毕竟，在整个生物体这样复杂的结构中，经常会出现不必要的副作用。因此，理想的解决方案将是一种对细胞的远程控制，这将使单个器官的功能得到更好的检查和了解，甚至可以用于治疗目的。使用光进行远程控制将是理想的，因为它可以使身体深处的器官和组织以一种非常有选择性和非侵入性的方式受到影响。然而，这样的过程也需要相关器官中的细胞光接收器。我们眼睛视网膜上接收光脉冲的受体——视紫红质——可能适合这种情况。有了这样的光感受器，就有可能利用光脉冲来开启和关闭某些细胞功能。与药物相比，这将更快、更有针对性地发挥作用。药物需要很长时间才能起作用，而且往往有不必要的副作用，因为它们不能仅仅在一个特定的器官上被激活。

在神经科学领域，类似的方法已经在发挥作用，目前正在动物模型中进行测试，以研究帕金森症和癫痫等脑部疾病：利用基因工程将单细胞生物的光控离子通道整合到神经元中。例如，在动物模型中，当暴露在蓝光下时，细胞膜上的这些离子通道会打开，并允许带正电的离子流入神经元。在连锁反应中，更多的通道打开，产生电信号——神经元变得活跃。

一种新型的光遗传学

但是这种光控离子通道只在神经细胞中起作用。然而，这项研究的目标是刺激生物体中的其他细胞和器官来控制各种身体功能。例如，人们可以研究心脏的自然起搏器，或者慢性疼痛、焦虑、抑郁和其他精神疾病的机制。有可能开发出有效的细胞疗法来治疗激素失调以及免疫、心脏和其他疾病，包括癌症。

为此，由PSI生命科学中心的Gebhard Schertler领导的研究人员正在研究一种新的光遗传学。在这种方法中，与我们视网膜中的视紫红质相似的光受体变得活跃：由光脉冲触发，它们与细胞中的蛋白质结合，从而启动在所有器官中发生的特定细胞信号传导过程。PSI的研究人员已经与德国和英国的主要同事联合起来；他们一起获得了令人垂涎的ERC资助：来自欧洲研究理事会的近800万欧元的资金。他们的项目，生命科学中的可切换红紫红质（SOL），有三个目标：1。找到可以做到这一点的视紫红质，并阐明它们的结构，以更好地理解它们是如何工作的。2. 使用分子生物学方法修改这些rhodpsins，以优化它们在各种身体功能中的转换过程。3. 利用这些开关可以更好地理解蛋白质的信号机制；将它们作为研究的工具，并在此基础上开发基因疗法。

由于拥有高分辨率的大型研究设施，蛋白质的结构解析是PSI的核心竞争力。现在，PSI研究人员已经向SOL的第一个目标迈出了重要的两步，正如他们在两项新研究中所报告的那样：首先，他们成功地找到了一种合适的视紫红质，并对其进行了修饰，使其在活性状态下保持稳定，从而可以进行检测。其次，利用苏黎世联邦理工学院的低温电子显微镜阐明了这种活性态的结构。

弯曲和伸展的开关

视紫红质是蛋白质。它们是动物世界中最重要的光感受器。它们中间有一个细长的分子，叫做retinal，来自维生素a。当光脉冲照射到这个分子上时，它会吸收能量，并在千万亿分之一秒内改变形状。一个弯曲的分子——称为11-顺式——变成一个细长的分子——称为全反式。通过这种转化，|retinal也改变了整个视紫红质的结构，使其可以与细胞膜上的其他蛋白质结合，即所谓的G蛋白。因此，这些光敏视紫红质也属于GPCR （G蛋白偶联受体）家族，因为视紫红质-G蛋白复合物刺激其他蛋白质反应，引发一系列生化过程，例如将视觉信号传递到大脑。

人体拥有数百种不同类型的gpcr，它们位于细胞膜上，接收来自外部的信号，并将它们传递到细胞内部。通过这种方式，它们控制着许多身体功能。这就是为什么大约40%的药物针对具有活性成分的gpcr，这些活性成分与受体对接。

简单感光器的优势

视紫红质存在于人眼的视网膜中。例如，在杆状细胞中，它们负责区分夜间的光明和黑暗。然而，像大多数脊椎动物一样，这些视紫红质是单稳定的。这意味着一旦视网膜被光线改变，它就会离开蛋白质，必须再生。只有这样，它才可用于下一个交换过程。这太复杂了，不能让这种分子有效地用作光遗传开关，因为还必须使用酶来再生它。

许多无脊椎动物，如鱿鱼、昆虫和蜘蛛，都有双稳态视紫红质。“从进化的角度来看，这些实际上是一种更原始的视紫红质形式，而且不那么敏感，”格哈德·舍特勒说。然而，它们为光遗传学提供了优势：|retinal在打开后仍留在蛋白质中，并且在第二次光脉冲下，它可以立即恢复到原来的形状，并再次关闭细胞过程。

例如，与其他双稳态视紫红质不同，一种跳蛛的视紫红质被证明是健壮的，容易产生。这使它成为一种可能的光遗传开关。

利用PSI的瑞士光源SLS，可以确定这种蜘蛛紫红质在非活性基态下的分子结构。但在将其用作光遗传开关之前，还必须精确地了解其活性形式的结构。然而，当|retinal被拉伸，视紫红质与G蛋白结合时，这种状态是非常短暂的。

如何使蛋白质快乐

在最近发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上的一项研究中，主要作者马修·罗德里格斯（Matthew Rodrigues）报告了他们是如何通过对|retinal进行微小修改来稳定活性状态，从而阐明其结构的。罗德里格斯报告说：“|retinal的特性保持不变，但修饰——一个小的额外分子环——确保它显然更适合蛋白质的结合袋。”“它会在那里呆上几个小时。正如我们结构生物学家所说，它很快乐。现在，检查活性视紫红质与G蛋白结合的结构的条件已经具备。

混合蛋白质

在《自然通讯》上发表的第二项研究中，第一作者Oliver Tejero和最后一作者Ching-Ju Tsai正是这样做的。“然而，正如预期的那样，我们发现蜘蛛蛋白（视紫红质）自然不会与人类蛋白（G蛋白）最匹配，”蔡说。“所以我们比较了蜘蛛的G蛋白和人类的G蛋白，并从这两种形式中组装了一个嵌合体。研究人员用蜘蛛的基因序列替换了人类蛋白质基因序列的末端部分，其中包含对接位点的代码。

通过对实际光感受器进行额外的基因修饰，他们解决了另一个问题：蜘蛛的视紫红质在同一波长的光下既被激活又被失活。“这意味着光脉冲会在细胞样本中产生激活和失活状态的大杂烩，当然，这对于一个旨在以有针对性的方式打开或关闭的开关来说是不好的。通过我们的修改，我们已经确保开关现在可以在不同颜色的光下进行。”

然而，这种通过基因工程进行的“调色”才刚刚开始。对这些新型光遗传开关的基础研究的下一步将是找出需要如何设计相关的蛋白质，以便使用其他颜色的光进行控制。这样就有可能选择性地打开或关闭不同的细胞功能。这也是一个构造开关的问题，使它们不仅对蓝光、橙光和绿光敏感，而且对红外光也敏感。马修·罗德里格斯说：“最大的问题仍然存在，如果光遗传学实际上用于日常医疗实践，那么光将如何到达视紫质。”“你可以把光源植入人体内。但更优雅、更温和的方法是使用红外线。它可以穿透人体组织

项目负责人Gebhard Schertler证实，蛋白质工程的最大部分仍在进行中，现在已经知道了结构基础。最终，我们的目标是将光激活的gpcr组装成一个完整的工具包，可以在生物体中用于各种目的。