真核细胞光控基因表达系统

条件控制的基因表达技术可为研究各种生命现象提供极具价值的工具。目前国际上尚无操作方便的，可以同时在时间上、空间上进行调控的基因表达系统。本研究试图通过合成生物学的方法，创造出一种不需要任何外源化合物协助，纯粹由基因编码的单个光调控转录激活因子，以之为基础建立一个简单、稳定的光调控基因表达系统，并在模式动物上实现对目的基因表达的时间、空间双重精确控制。本研究提出的光控的基因表达系统将可成为一种通用的光遗传学方法，使人类以前所未有的精度在时间、空间上调控目的基因的表达，进而控制各种生命活动。该系统不仅将可为对细胞生物学、发育生物学、神经生物学等生命科学基础研究提供创新性的工具，还可广泛用于生物工程、人类疾病的诊疗等应用领域。

长期以来科学家们一直在追求用光来控制细胞基因表达，但是一些已报道的方法都存在着缺点和技术复杂性，从而限制了它们的应用。我们发展了遗传编码的光开关转录激活因子GAVPO，其在蓝光照射下发生同型二聚化，结合启动子后在哺乳动物细胞内启动靶基因的转录。这种光开关的转录激活因子显示了对光强度不同的响应，可以诱导超过背景200倍以上的基因表达。使用荧光蛋白作为记者，我们能够在投影到培养的哺乳动物细胞上打印高对比度图像。因此，我们称该系统为LightOn系统。进一步的研究表明，该系统在活体动物中效果也很好，可光控表达荧光蛋白，或功能的Cre重组酶。在糖尿病小鼠小鼠中转入pGAVPO和PU5胰岛素载体，蓝光照射下可引起血糖的大幅下降。为获得化学诱导和光诱导转基因系统的组合优势，我们发展了tet与GAVPO组合操纵的嵌合启动子系统，　这些嵌合启动子的活性可以通过四环素和蓝光协同或拮抗来调节。其中拮抗系统显示出高时空分辨率和极低的渗漏表达，因此可用于在空间上和严格控制的光基因治疗。此LightON基因表达系统提供了可靠的和方便的方法，以前所未有的时空准确性来控制哺乳动物细胞中基因功能，可以用来操作范围极为广泛的生物学过程。