據(jù)媒體報道，近日，MIT研究人員增加入了一個額外的控制層，通過系統(tǒng)的響應(yīng)光，就可以實(shí)現(xiàn)對基因編輯的精確控制。有了這個新的系統(tǒng)，研究人員只需要對靶細(xì)胞進(jìn)行紫外光照射，就可實(shí)現(xiàn)基因編輯。這可以幫助科學(xué)家更詳細(xì)研究細(xì)胞和遺傳物質(zhì)是如何影響胚胎發(fā)育和遺傳疾病。甚至還可精確到關(guān)閉腫瘤細(xì)胞中的致癌基因。

光遺傳學(xué)技術(shù)（optogenetics）與需要用到人工核酸酶（engineered nucleases）的基因組編輯技術(shù)（genome editing）這兩項(xiàng)偉大技術(shù)的結(jié)合，為我們提供了一種用光來操控任意基因的機(jī)會。

在本期《自然》（Nature）雜志里，Konermann等人向我們展示了一種全新的技術(shù)，他們將近十年來最偉大的兩項(xiàng)生物學(xué)技術(shù)結(jié)合到了一起，這兩項(xiàng)技術(shù)就是光遺傳學(xué)技術(shù)與基因組編輯技術(shù)。使用光遺傳學(xué)技術(shù)，在靶細(xì)胞上（中）表達(dá)光敏蛋白，就可以對細(xì)胞的活動進(jìn)行光調(diào)控。使用基因組編輯技術(shù)，則可以對基因組中的任意目標(biāo)位點(diǎn)進(jìn)行遺傳學(xué)改造操作。將這兩種技術(shù)結(jié)合在一起，就可以對基因的轉(zhuǎn)錄，以及基因組的修飾（genomic modifications）情況進(jìn)行定向操控。

光遺傳學(xué)技術(shù)可以應(yīng)用于細(xì)胞和活體動物，通過使用不同顏色的光、不同強(qiáng)度的光和不同照射時間的光，對細(xì)胞進(jìn)行非侵入性的、可逆的調(diào)控，而且這種調(diào)控還可以在時間和空間上進(jìn)行高精度的掌控。到目前為止，在絕大部分光遺傳學(xué)操作中使用的都還是光敏的離子通道蛋白或離子泵蛋白，通過這些蛋白來動態(tài)調(diào)節(jié)細(xì)胞的跨膜電位，尤其是引出神經(jīng)元細(xì)胞的動作電位。

其實(shí)大自然中也有很多受光線調(diào)控的例子，比如植物和微生物中的光受體（photoreceptors）等等。除了少數(shù)幾個特例之外，大部分光控機(jī)制都與特定的生物體有關(guān)，很難將這種光控機(jī)制移植到其它物種上。不過這些特例也表明，光遺傳學(xué)機(jī)制也可以用來調(diào)控其它酶的活性，或者用于引出更加持久的細(xì)胞反應(yīng)。自然界的光受體已經(jīng)為科學(xué)家們提供了非常好的范例，告訴我們該如何利用已有的光反應(yīng)改造生物系統(tǒng)。

有一種被廣泛使用的策略就是利用參與了光控途徑的光受體蛋白。就實(shí)際的表現(xiàn)、反應(yīng)的強(qiáng)度、反應(yīng)時間和易用性等幾個方面考慮，對藍(lán)光敏感的隱花色素2（cryptochrome 2）及其光反應(yīng)配體蛋白CIB1是使用得最為廣泛的，遠(yuǎn)勝過對紅光敏感的phytochrome–PIF組合。好幾個實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)使用光遺傳學(xué)技術(shù)成功地對基因的轉(zhuǎn)錄過程進(jìn)行了調(diào)控。最開始，科研人員們主要借助轉(zhuǎn)錄活化蛋白Gal4幫助光遺傳學(xué)分子與DNA鏈上特定的靶位點(diǎn)結(jié)合。光照之后，就會再招募另外一個連接在Gal4蛋白活性結(jié)構(gòu)域上的光遺傳學(xué)分子，啟動基因轉(zhuǎn)錄。雖然這種方法的實(shí)際效果很不錯，但是由于DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域只能與固定的幾個DNA靶序列結(jié)合，而且靶基因必須以外源DNA模板的方式被插入細(xì)胞基因組當(dāng)中，所以限制了這種技術(shù)的廣泛應(yīng)用。

伴隨著光遺傳學(xué)技術(shù)的發(fā)展，又出現(xiàn)了一門新興的DNA工程學(xué)技術(shù)，這種新技術(shù)可以在數(shù)十億個堿基對組成的基因組中進(jìn)行精確的定位，并進(jìn)行遺傳學(xué)改造，這就是所謂的基因組編輯技術(shù)。最初的基因組編輯技術(shù)主要使用的是鋅指核酸酶（zinc-finger protein）和TALE核酸酶，這些蛋白都可以在基因組的特定位點(diǎn)進(jìn)行切割，使基因被破壞，或者利用DNA損傷修復(fù)機(jī)制在該位點(diǎn)插入新的外源基因。不過針對特定的位點(diǎn)人工合成鋅指蛋白或TALE蛋白可不容易，需要耗費(fèi)大量的勞動力和時間。

最近新出現(xiàn)的CRISPR–Cas技術(shù)就很好地解決了這個費(fèi)時費(fèi)力的問題。利用CRISPR–Cas技術(shù)，可以在一段能夠特異性識別靶序列的向?qū)NA分子（sequence-specific guide RNA）的引領(lǐng)下，將核酸內(nèi)切酶帶領(lǐng)到靶位點(diǎn)處，完成基因組改造的工作，如果需要對另外一個位點(diǎn)進(jìn)行操作，只需要再合成一段新的向?qū)NA就夠了，而我們都知道，涉及合成一段RNA分子可是要比設(shè)計合成一個蛋白質(zhì)容易得多。所以CRISPR–Cas技術(shù)一出現(xiàn)，立刻就呈現(xiàn)出徹底取代鋅指核酸酶和TALE核酸酶的趨勢，能夠以更快的速度、更低的價格、更高的效率幫助生物學(xué)家們對各種基因組進(jìn)行遺傳學(xué)改造。

研究人員表示，這項(xiàng)技術(shù)在臨床醫(yī)療的應(yīng)用，目前極有可能實(shí)現(xiàn)的是用于關(guān)閉皮膚癌中的癌基因有望治愈皮膚癌?；蚓庉嫾夹g(shù)在人類基因治療的應(yīng)用及普及已是大勢所趨、隨著更深入的研究和發(fā)展，其商業(yè)價值不容小覷。此外，精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)已于今年入選“十三五 ”百大項(xiàng)目，上升為國家戰(zhàn)略，更為我國基因編輯技術(shù)的發(fā)展帶來強(qiáng)有力的催化作用。

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