·研究團隊在AAV載體中還加入了生產胰島素和減肥治療蛋白（TSLP）的基因，讓目標細胞能在光控開關的控制下生產這兩種藥物蛋白。研究結果發現，擁有這些“改造”細胞的疾病模型小鼠（糖尿病、肥胖），在通過照射紅光之后，血糖水平降低，體重得到控制。

我們的身體就像一個巨大的“工廠”，細胞在其中忙碌地工作。基因就像是工廠里的“操作手冊”，告訴細胞該做什么。隨著基因技術的發展，人們已經能夠在一定程度上“改寫”基因，讓細胞制造特定的產物，實現治療等目的。

有時，我們希望細胞在特定的時候做特定的工作，這就需要一個遠程控制系統。光照變化是地球上的生物共同面臨的環境，對生命節律等活動有著重要的影響。科學家們發現，光線能夠調節一些生物的基因表達，這成了構造基因“遙控器”的靈感。近日，有研究團隊開發了新一代紅光調控轉基因表達控制系統，能夠通過紅光照射，控制小鼠體內經過基因改造的細胞按需生產胰島素、抗肥胖藥物蛋白，實現減肥、降血糖的目的。

這項研究于2024年11月27日發表在《自然-通訊》（Nature Communications）上，作者是華東師范大學生命科學學院、上海市調控生物學重點實驗室、醫學合成生物學研究中心研究員葉海峰團隊。

先前有文章報道耐輻射奇球菌的光敏蛋白DrBphP在紅光的照射下，能與納米抗體LDB3相互作用；而當照射遠紅光時，這兩種蛋白則會分離。基于此，該研究團隊將來源于擬南芥、構巢曲霉的光敏蛋白N端結構分別與DrBphP的光敏核心區進行理性組合，生成了嵌合光敏蛋白FnBphP和PnBphP，這兩個新生成的蛋白在紅光照射后與LDB3結合得更加穩定，再經過基因線路組裝開發了REDLIP基因光控系統。

有了光控“開關”，還要想辦法將它“安裝”到目標細胞中。研究人員們通過一種基因治療載體（AAV，腺相關病毒）將光控系統基因遞送到小鼠的肌肉和肝臟組織，“指揮”它們自行生產出光控“開關”并安裝到自己身上。

肌細胞和肝臟細胞本身并不能生產出胰島素等治療物質。研究團隊在AAV載體中還加入了生產胰島素和減肥治療蛋白（TSLP）的基因，讓目標細胞能在光控開關的控制下生產這兩種藥物蛋白。研究結果發現，擁有這些“改造”細胞的疾病模型小鼠（糖尿病、肥胖），在通過照射紅光之后，血糖水平降低，體重得到控制。

自然光中也包含紅光，可能在不需要治療的時候激活這些光控細胞。為了解決這個問題，研究團隊還開發了一種LED貼片，將這些改造的細胞（如肌肉組織處）遮蓋住，只在需要治療的時候通過智能手機APP開啟紅光。實驗表明每3天只需要光照半個小時即可實現顯著體重下降，達到光照減肥的效果。

研究團隊開發了一種通過手機APP控制的LED貼片來治療經過基因“改造”的小鼠。受訪者供圖

這種治療方式有什么優勢？通過基因工程改造細胞安全嗎？用在人體上還要克服哪些困難？為了回答這些問題，澎湃科技采訪了該研究通訊作者、華東師范大學生命科學學院副院長、研究員葉海峰。

【對話】

澎湃科技：光遺傳學是什么？相比其它基因調控手段，光調控有什么特點？該研究為什么使用紅光？自然界中的光照會影響該系統的表達嗎？

葉海峰（研究通訊作者、華東師范大學生命科學學院副院長、研究員）：光遺傳學是一種將光學和遺傳學技術相結合的新興學科，簡單來說，就是通過在特定的細胞或組織中表達光敏蛋白，使得細胞或組織在特定光照條件下發生響應，從而能夠在光照下控制其生物學活動。

相比其它基因調控手段，光調控的特點包括非侵入性、遠程無痕、空間特異性、可調節性強等。

紅光具有較高的生物相容性和組織穿透性，能夠照射到深層次的器官，比如肝臟組織。自然界中的光是混合光，各個波長的光都存在，我們的實驗表明會有一定的干擾。為了解決這個問題，我們開發了一種智能手機控制的LED貼片，它能夠很好地解決自然光干擾的問題。

澎湃科技：REDLIP調控系統的本質是什么？研究者是如何對其改造以獲得期望的功能的？所有這些基因組件的功能都已知且唯一嗎？會不會存在意料之外的后果？

葉海峰：它的本質是：我們將來源不同物種的光敏蛋白進行雜交組合，生成一類嵌合光敏蛋白，使其在紅光照射后能夠與伴侶蛋白LDB3結合的更加穩定，然后經過人工基因線路設計，實現基因調控的目的。

我們在2021年開發了基于擬南芥PhyA的超靈敏紅光系統（REDMAP），當時就好奇為什么PhyA與伴侶蛋白結合得這么靈敏，后續我們查閱相關文獻，發現相較于來源于細菌的光敏蛋白，真菌（FphA）和植物（PhyA）的光敏蛋白在N端多了一段NTE序列，有研究表明，NTE結構能夠維持光敏蛋白在660 nm光照后的構象（Pfr狀態）狀態，減緩其暗回復，于是我們就將其他物種的NTE結構嫁接到細菌光敏蛋白DrBphP的N端，經過測試，發現確實能夠起到減緩其暗回復的效果，換個說法就是提高了光照靈敏度。

這些組件的基本模塊功能大都是已知的，但是需要人工理性設計改造并重新拼接組裝后才能實現新的生物功能。比如我們用到的光敏蛋白DrBphP，它本身是一種細菌蛋白激酶，在這里我們對其C端的激酶模塊進行了刪除，但不會影響其響應光的性能，此外來源的酵母的GAL4，它本身既可以結合DNA特定序列還能招募RNA聚合酶，在這里我們僅僅使用了它結合DNA的模塊。

澎湃科技：研究使用AAV基因治療載體將該系統遞送到小鼠的肌肉和肝臟組織。能否解釋一下這個載體的原理？它是如何使目標細胞生產出胰島素和減肥治療蛋白的？

葉海峰：AAV是一種常用的基因治療載體，根據血清型的不同，能夠將外源基因遞送到特定的靶細胞或組織中。在這里我們選擇的組織是肌肉和肝臟，這兩個組織在機體內分裂增殖慢，能夠很好地作為“藥物倉庫”。我們選擇8型或者9型AAV，利用REDLIP模塊緊湊的特點，將其包裝成兩個AAV載體，然后感染這兩個組織，當需要藥物釋放時，只需要照射紅光，就可以啟動胰島素或者抗肥胖蛋白的表達。

澎湃科技：可否將這個過程理解為“被一種人工感光病毒感染了”？它改變了小鼠本身的基因嗎？這種變化能持續多久，會不會影響到其它細胞，會不會遺傳？

葉海峰：AAV 基因治療不是感染。它通過將目的基因導入細胞實現。有效時間因AAV載體血清型、組織類型、免疫反應和基因特性等因素而異，從數周、數月到數年不等。一般情況下，AAV 很少整合進細胞基因組，通常不會遺傳，在正常組織內主要對轉導的細胞起作用，對其他細胞影響較小。因為AAV不會像慢病毒那樣將基因整合到細胞基因組中，因此它不會遺傳。

澎湃科技：既然基因治療有從底層修復的能力，為什么不直接修復代謝疾病相關的基因？感光調控是否多此一舉？

葉海峰：這有兩個方面的原因。首先，基因治療雖然能夠從底層修復，但是這也存在脫靶的風險，比如基因編輯技術；其次，有些基因必須需要精準的調控，過多的話副作用嚴重，過少的話起不到療效，比如很典型的胰島素或者其它激素類細胞因子等。

澎湃科技：這種技術若要使用在人體上，是否已經成熟？還有哪些需要解決的問題？安全性上有哪些可能的挑戰？

葉海峰：目前光遺傳學在人體上的應用仍處于探索階段，盡管其在小動物模型中表現出巨大的潛力，但要實現對人體的安全、高效應用，還需要解決一系列技術、臨床和安全性挑戰。這些挑戰包括基因遞送的效率與精準性、光源的深度傳遞以及免疫反應等方面。

有個令人鼓舞的案例是在2021年，瑞士巴塞爾大學與美國匹茲堡大學團隊合作在Nature Medicine上宣布，他們通過光遺傳學技術，首次成功恢復了一位盲人的部分視力，這一消息標志著光遺傳開始走進臨床研究。此外在特定的場景下，比如糖尿病、甲狀腺疾病以及與月經周期相關的激素失衡等，光控基因治療策略也展現出很大的可能性，有望加速基因治療和細胞治療從基礎研究向生物醫學轉化研究的進展。