使用光来打开和关闭钙离子可能对再生医学产生影响

资源：

得克萨斯州A＆M大学

概要：

你听说过“自然与培育”，哲学家们争论哪一个更重要。但是这在细胞水平上如何工作？

虽然基因在整个生命周期中保持不变，但遗传密码并不一定是一个人的命运。事实上，基因可以打开和关闭，以调节细胞内的许多活动。人体自然会根据内部需求或外部环境的变化来做这件事，现在科学家们能够在实验室中开关这些过程。换句话说，研究人员已经创建了能够实时激活基因组中特定位置的靶基因的工具。这项技术可能有助于科学家阐明不同生物过程中的基因功能，并希望在再生医学中有用。德克萨斯农工大学的研究人员正在创建一个使用两种常见元素来做到这一点的系统：钙和光。

钙能够远远超过建立强壮的骨骼 - 在这个系统中起着重要作用，因为它的信号调节细胞内的许多活动，从生长，新陈代谢到体内平衡。

打开钙离子的流动

德州A＆M生物科学与技术研究所副教授Yubin Zhou博士领导研究开发他称之为CaRROT系统（用于钙响应性转录重编程工具）。该系统可以高精度地控制体内基因的转录 - 换句话说，它可以决定基因如何，何时和何地产生执行各种细胞功能的蛋白质。

CaRROT使用简单的光脉冲或化学物质，可以诱导钙离子流入细胞。研究人员在最近发表在“ACS合成生物学杂志”上的文章中描述了他们的技术。 “这项技术应该允许科学家通过简单地切换光线或添加或撤消激活化合物来打开或关闭任何位置的各种基因”，Zhou说。

研究人员设计了CaRROT来劫持由光产生的钙信号（使用Opto-CRAC，​​Zhou和他的团队开发的另一项技术），以提供CRISPR / Cas9系统衍生的基因组工程工具来打开基因。 “当光线打开时，控制钙离子的门打开，允许钙从外部空间流入细胞的细胞质，”周恩来实验室的研究生Nhung Nguyen说。 “这个过程最终打开了特定基因的表达。”基因表达的开启然后导致细胞功能的改变。

“我们筛选了数十种工程蛋白质，并进行了多轮优化，使CaRROT系统严格响应光线，”周氏实验室的研究生Lian He博士补充道，他是该研究的第一作者。为了评估CaRROT在哺乳动物细胞中的真正效果，该团队将对控制神经元和骨骼肌分化的基因进行测试。他们希望他们能够在再生医学中使用CaRROT，通过光照照射细胞，将干细胞精确分化为所需的任何类型的器官。

该研究的合作资深作者Yun Huang博士说：“改善深部组织的光穿透性让我们乐观地认为，我们可以使用CaRROT重新编程受损器官中的细胞。” “有可能有一天，通过将组织暴露在光线下，我们可以通过光调整协调的基因表达来愈合伤口或加速受损组织的再生。”

关闭钙离子

在最近发表在Angewandte Chemie杂志上的封面故事中，周和他的团队发明了一种新的光遗传学工具，可以完成相反的技巧。随着光照在'可兴奋的'组织（如神经和心血管系统）中的细胞，可以关闭通过细胞膜上的网关（称为电压门控钙通道）的钙流入。这些通道构成钙进入细胞的主要途径，调节一系列生理过程。由于它们的功能障碍涉及许多疾病，因此它们被认为是心血管和神经精神障碍的重要治疗靶点。

美国食品和药物管理局批准的传统钙通道阻滞剂已被广泛用于治疗心血管疾病，包括高血压，心律失常和冠状动脉疾病。然而，由于其细胞毒性和脱靶效应，这些药物往往会引起副作用 - 包括头痛，水肿，危险的低血压和心悸。 “由于这些副作用，临床上非常需要产生新的介入方法来补充传统的钙通道阻滞剂，”Zhou说。 “我们的新光遗传学工具提供了一种非常规方法来询问用这些电压门控钙通道治疗的生理和病理生理过程。”

周和他的合作者将基因策略和光学技术结合起来，为这些电压门控钙通道设计一类新的遗传编码抑制剂。 “经过大量的优化工作，我们开发出了一种理想的光控切换抑制剂，我们称之为optoRGK。OptoRGK在可兴奋细胞中表现出优异的光诱导抑制钙离子进入，”周国光助理项目科学家马国林博士说。 ，谁领导了这个项目。

该团队在心脏肌细胞中测试了这种工具，显示出黑暗中钙的节奏振荡，与心脏跳动节奏相匹配。 “但是，在蓝光照明下，节奏振荡可以大幅减少甚至终止，”周说。 “值得注意的是，这个过程在移除光源后是完全可逆的。”

用这种方法，研究人员可以调节神经和心血管系统中可兴奋细胞的活动。 “与可光激活的Opto-CRAC系统相辅相成的是，optoRGK工具包提供了关闭可兴奋细胞中钙信号的独特机会，”北京师范大学这项研究的合作者Youjun Wang博士说。

“我们的新型光遗传学工具可以方便地应用于控制由多个生物系统中的电压门控钙通道介导的各种生理过程，”Zhou补充说。 “虽然传统的电压门控钙通道阻滞剂缺乏可逆性，选择性和组织特异性，但optoRGK开创了令人兴奋的机会，以前所未有的精度介入相关的生理过程，我们希望这些研究最终将导致新一代光固化装置的治愈癌症，心血管和神经系统疾病。“