PNAS：首次!无需添加发色团,直接细胞合成!利用“升级版”光系统操纵细胞信号传导照亮活体动物PNAS：首次!无需添加发色团,直接细胞合成!利用“升级版”光系统操纵细胞信号传导照亮活体动物.pdf

PNAS：首次！无需添加发色团，直接细胞合 成！利用“升级版”光系统操纵细胞信号传 导照亮活体动物 原创2017-10-25 订阅号 APExBIO 研究意义 利用光学来控制细胞信号传导，近年来引起了研究者们的极大兴趣。例如蛋白质 活性可以通过几种光诱导二聚化系统来调节。大多数光遗传学系统都使用蓝光， 荧光指示器如基于 FRET 的生物传感器也是如此。PhyB –PIF （植物色素B-光敏 色素互作因子）系统是一种广泛使用的红光/远红光可切换的二聚化诱导系统。 然而，PhyB 需要发色团（如 PCB），因此应用该系统前必须将发色团人为地添加 到哺乳动物细胞中，这给科学家们造成了很多不便。为了克服这个困难，来自日 本京都大学大学院医学研究科的研究团队开发了一种在哺乳动物细胞中有效合 成 PCB 的系统。发现 PCB 可通过引入 PcyA，HO1，Fd 和 Fnr 这 4 个基因进行合 成。这种遗传编码的 PCB 合成系统允许通过红外/远红光来操纵细胞信号传导， 重要的是，不需要任何外源 PCB 的添加。这是首次成功利用 PCB 生物合成系统 在哺乳动物细胞中操作 PhyB-PIF 系统的研究，对于 PhyB-PIF 系统在活体动物 中的研究具有重要意义。 细胞内信号转导通路相当于信息处理系统，输入的信号作为信息被处理，随后产生输出 行为即细胞表型。这些通路包含一系列生化反应，相互作用形成高度复杂的网络。 能够快速和可逆地扰乱细胞系统的方法对于分析靶向药物的作用至关重要。化学诱导二 聚化（chemical-induced dimerization，CID）系统广泛用于生物研究，简单来讲是当 加入某种药物（小分子、酶或者某种二聚剂）时，会引起分开的两个蛋白质结合，当每 个蛋白单体上的激活或抑制原件相互靠近并形成二聚体时，会引起激活或抑制作用，即 最终实现用药物控制活性开关。虽然 CID 系统已经广泛用于通过小化合物快速扰乱细胞 信号传导，但是大多数 CID 系统是不可逆的，并且难以在亚细胞水平上操纵二聚化。 图 化学诱导二聚化。在二聚剂（蓝色）的存在下，通常不相互作用的两种蛋白质发生了结合。 后来，科学家们开发了几种光诱导二聚化（light-induced dimerization LID）系统， 其中可光活化的蛋白质可被光二聚化，目标是利用光来开启和关闭基因的表达，这种方 式是可逆的。其中，CRY2-CIB1 （隐花色素2-整合素结合蛋白 1）系统已被广泛用于基于 光诱导二聚化来控制细胞信号传导。即，暴露于蓝光后的几秒钟内，CRY2 的构象发生变 化，使它与 CIB1 结合，当暴露于黑暗条件下，该复合物会在几分钟内离解。CRY2 蛋白利 用黄素（flavin）作为发色团（chromophore）。然而，这个系统有潜在的缺点。首先， 解离反应具有缓慢的动力学，并且是不可控制的。第二，使用蓝光进行 CRY2-CIB1 的光 活化与基于 GFP 的生物传感器如FRET 的荧光成像不兼容。 目前，PhyB -PIF （植物色素B-光敏色素互作因子）系统是唯一在长波长光下工作的 LID 系统。藻胆青素（phycocyanobilin，PCB）或植物色素（phytochromobilin）作为 PhyB 的光吸收发色团，相互结合。在红光照射下，PhyB 在几秒钟内结合 PIF，并且所产生的 PhyB-PIF 复合物在远红光照射下几秒钟内解离。基于 PhyB-PIF 系统可以快速、可逆地控 制光的结合和解离能力，研究人员利用该系统可以在空间和时间上以更高分辨率来操纵 细胞信号。 然而，PhyB-PIF 系统也有一个关键的缺点。那就是光敏感系统需要这种叫作发色团（色 基）的化学物质，而发色团仅在光合生物体中产生，如果科学家想要研究的细胞不能生 成这种色基，科学家在应用光敏感系统前就要进行添加。因此会带来很多的不便。 图 蓝藻中 PCB 合成的途径。两种酶，血红素加氧酶（heme oxygenase）和铁氧还蛋白依赖性胆碱还原 酶（ferredoxin-dependent bilin reductase）利用血红素（heme）进行植物色素生物合成。在光合生 物如蓝藻中，PCB 是通过 HO1 介导的血红素降解和 PcyA 介导的胆红素（biliverdin）还原而产生的。 为了克服这个问题，人们在细菌和哺乳动物细胞中构建了 PCB 生物合成系统，通过表达 两种生物合成酶，血红素加氧酶