光生理学：光遗传学时空调节组织细胞生理的研究综述

2022年4月6日，美国德克萨斯农工大学周育斌和黄韵课题组在生理学权威综述Physiological Reviews上发表了题为 Optophysiology: Illuminating cell physiology with optogenetics 的综述论文 (图1)，以光敏蛋白的基本化学组成和功能，细胞生理的应用，和精准药物和细胞疗法的研发三大方向，总结了光遗传学技术在细胞生理病理研究领域的运用和发展趋势，提出了“光生理学”的概念，并描述“无线光遗传学” 能够以最小的侵入性远程调控生理过程，作为合成生物学新技术有望加速具时空分辨率的基础研究和转化医学研究 （图2）。

图1: 封面设计

传统生物技术手段如基因改造和药物干预由于缺乏时空精度，无法捕捉细胞及亚细胞水平的动态生理和病理变化，并可导致不可逆的细胞生理变化、细胞毒性和药物脱靶效应。光遗传学结合光学和遗传学用于单分子，单细胞，和组织系统水平上监控细胞活动和疾病干预。光遗传学具有无创性、快速响应性、可调可逆性和优越的时空分辨率等优点。该技术早期应用开始于微生物视蛋白，光敏通道蛋白Channelrhodopsin （ChR），的发现及其在神经动作电位和神经回路调控。随后大量天然存在或工程化（定向演化，循环排列等）的非视蛋白光敏结构域的发现，开启了光遗传学在免疫、发育、代谢等非神经领域的新篇章。

该综述首先对紫外光到红外光波段的光敏蛋白和辅因子进行分类，并通过三维蛋白结构构象和化学组成来解释感光机制（图3）。以此为基础，对已知光敏蛋白结构域调控靶点蛋白功能的机制进行分类， 如光诱导蛋白构象变化，自身多聚化、蛋白-蛋白相互作用，蛋白-蛋白相互分离，蛋白自身切割等。

图2: 光生理学概念图

综述接下来以主体部分和表格形成列举代表性案例来回顾光遗传学工具在分子细胞水平和系统水平的应用和有待改进之处：(1) 离子通道的信号转导，(2) 细胞骨架组装、细胞器定位、膜连接点、液-液相分离介导的细胞器形成, (3) 自噬体，(4) Cre-LoxP重组酶系统，(5) 免疫调控和肿瘤免疫治疗，(6) 分子记录仪，(7) 细胞死亡，(8) 胞内抗体，如纳米抗体，(9) 蛋白降解，(10) 基因编辑和转录调控，(11) 细胞-细胞相互作用。综述着重阐述了“无线光遗传学”系统的概念，及其作为“闭环、远程、可植入体内的调控系统”的重要组成部分，如病毒介导基因传递，微米LED，生物发光，纳米材料等。

图3: 光遗传学工程设计中用到的典型光敏感组件以及光响应波段。

文章最后展望光遗传学疗法的临床转化，并提出光遗传学未来发展领域，包括 (1) 全光学药物筛选， (2) 深层组织红移光遗传学工具开发，(3) 具有药物输送系统的闭环光遗传学装置与半导体制造，(4) 三维高分辨率光学数据生成和计算算法开发，(5) 参数整合的软件系统开发。

麻省理工学院-哈佛大学博德研究所的谭鹏博士和德克萨斯农工大学何涟博士为该文的并列第一作者，德克萨斯农工大学黄韵和周育斌教授为共同通讯作者。文章第一作者何涟博士现任南方科技大学医学院助理教授，长期从事免疫相关钙离子通道，光遗传学蛋白工程，肿瘤免疫治疗等方向研究，第一及通讯作者在Nature Cell Biology，Nature Chemical Biology，Nature Communications，Nucleic Acids Research，Advanced Science，eLife， PLoS Biology， Chemical Science等杂志发表论文50篇，申请专利5项。博士期间获得国家优秀自费留学生奖学金和Welch Foundation博士研究生奖。实验室热忱欢迎对光遗传学和肿瘤免疫治疗研究感兴趣的博士后和研究生加入。

简历投递（有意向者，请将个人简历等材料发至）：

https://jinshuju.net/f/ZqXwZt

原文连接:

https://journals.physiology.org/doi/full/10.1152/physrev.00021.2021

制版人：十一

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