光可以控制基因開關(guān)
光控開關(guān)系統(tǒng)由幾個(gè)相關(guān)聯(lián)的部分構(gòu)成，轉(zhuǎn)錄激活因子（TALE）， CRY2（一種光敏感蛋白）和 CIB1（ CRY2 的天然結(jié)合蛋白）。 DNA 結(jié)合蛋白 TALE 組合成特定的形式與 DNA 結(jié)合。 TALE 與 CRY2 融合在一起。當(dāng) CRY2 遇到光線，它就會(huì)改變結(jié)構(gòu)與 CIB1 結(jié)合。這幾部分協(xié)同作用，行使細(xì)胞的遺傳指令——調(diào)控 DNA 轉(zhuǎn)錄成 mRNA 。
利用這一原理，研究人員將 CIB1 改造成可以與另外一個(gè)蛋白相結(jié)合的形式參與基因表達(dá)的調(diào)控。光開關(guān)系統(tǒng)進(jìn)入細(xì)胞后， TALE 與目的 DNA 結(jié)合。當(dāng)有光線照射到細(xì)胞時(shí)， CRY2 蛋白與原本游離在細(xì)胞中的 CIB1 相結(jié)合。 CIB1 攜帶的基因活化蛋白啟動(dòng) DNA 的復(fù)制或者轉(zhuǎn)錄?；蛘撸?CIB1 攜帶的基因抑制蛋白抑制 DNA 的復(fù)制或者轉(zhuǎn)錄。
一個(gè)單一的光脈沖足以誘導(dǎo)蛋白結(jié)合，啟動(dòng) DNA 復(fù)制和轉(zhuǎn)錄。研究人員發(fā)現(xiàn)，每分鐘一次左右的光脈沖是實(shí)現(xiàn)連續(xù)轉(zhuǎn)錄zui有效的頻率。另外，連續(xù)給予30分鐘的光脈沖，目的基因轉(zhuǎn)錄 mRNA 的水平顯著增加，而光脈沖一旦停止， mRNA 的水平約在30分鐘內(nèi)開始下降。
研究人員通過對(duì)來自實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的神經(jīng)元和取自動(dòng)物的細(xì)胞中的 30 個(gè)不同的基因進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，基因開關(guān)系統(tǒng)均可以使其轉(zhuǎn)錄水平增加。
斯坦福大學(xué)生物工程和光遺傳學(xué)教授 Karl Deisseroth 說，該研究的創(chuàng)新點(diǎn)在于其光控開關(guān)系統(tǒng)控制的不是人工合成的基因，而是取自細(xì)胞的基因。基于這一技術(shù)，可以觀測(cè)特定的基因在特定時(shí)間點(diǎn)的表達(dá)情況。
表觀遺傳學(xué)修飾
基因表達(dá)調(diào)控開關(guān)的另外一個(gè)作用就是研究表觀遺傳學(xué)修飾。表觀遺傳學(xué)一個(gè)重要的領(lǐng)域就是組蛋白的化學(xué)修飾。組蛋白可以與 DNA 結(jié)合在一起，控制相關(guān)基因的表達(dá)。研究人員發(fā)現(xiàn)可以通過 TALE 與組蛋白融合改變表觀遺傳學(xué)修飾。
表觀遺傳學(xué)修飾在學(xué)習(xí)和記憶形成過程中發(fā)揮了重要的作用，但是由于缺少有效的途徑干預(yù)組蛋白的修飾，導(dǎo)致這一課題沒有進(jìn)一步深入研究。新技術(shù)的應(yīng)用可以地干預(yù)單一基因的表達(dá)，從而給該課題的研究提供了可能性。
目前，研究人員已經(jīng)證實(shí)，一些組蛋白的結(jié)構(gòu)域可以與光敏感蛋白結(jié)合，他們正在擴(kuò)充可以被應(yīng)用到基因調(diào)控系統(tǒng)中的組蛋白修飾的類型。
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