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#光遗传学#
遗传中心法则是指遗传信息从DNA转移到RNA，再从RNA转移到蛋白质的过程，即完成遗传信息的转录和翻译。然而，在过去的几十年里，生命科学的舞台一直被DNA和蛋白质所主宰。DNA负责遗传信息的存储，蛋白质负责基因指令的执行，RNA只是遗传信息传递中间环节的配角。随着对人类基因组信息的分析，发现只有2%的人类基因组编码蛋白质，约98%的基因组含义不明，甚至被认为是“垃圾”DNA。随着生命科学的不断发展，这些看似“垃圾”的DNA可以产生大量的非编码RNA，发挥着至关重要的生物学功能，参与几乎所有重要的细胞生命过程，与许多重大疾病的发生发展密切相关。
与蛋白质一样，细胞中的RNA具有复杂的高级结构和相互作用，具有特定的时间、空分布和不同的转录后修饰状态，并以复杂而精确的方式执行多种生物功能。相对于蛋白质的研究，人们对RNA在细胞内的时间空分布和功能的研究还比较滞后。其中一个重要原因就是目前还缺乏对活细胞中RNA分子进行高时间空解析的精确控制技术。这是深入研究RNA功能机制的关键问题和重要技术挑战，也是世界RNA研究领域的前沿热点。
鉴于这一紧迫的技术挑战，2022年1月3日，华东理工大学生物反应器工程国家重点实验室和光遗传学与合成生物学交叉学科研究中心的杨毅教授团队在《自然生物技术》杂志在线发表了一篇题为《利用工程化光开关RNA结合蛋白实现RNA功能和冶金学的光遗传控制》的长文。本研究基于合成生物学和光遗传学原理，结合一种新的高通量筛选策略，成功构建了一系列光控RNA效应因子，实现了对动物细胞中RNA产生、剪接、运输、翻译、降解等代谢活动的精确时间空控制。
RNA结合蛋白在RNA的生物学功能中起着重要作用。它们负责RNA的剪接、运输、定位、降解和其他代谢活动。除了自然界存在的RNA结合蛋白，人们还根据合成生物学原理，将不同的功能域与RNA结合蛋白结合，合成出具有全新功能的RNA结合蛋白。然而，RNA结合蛋白的活性，无论是天然的还是合成的，都很难被调控。因此，开发具有可控活性的RNA结合蛋白将有望实现对活细胞RNA的控制。利用光来调节细胞的各种生命活动，是生命科学研究的前沿领域。各种光遗传学技术让人们以前所未有的时间和精度空调控生物体的各种生命活动。其中，利用合成生物学方法设计和筛选具有光可控功能的蛋白质分子，获得简单易用的光遗传学技术，是光遗传学前沿领域最重要的热点之一。
图:RNA光遗传学控制的概念图
为了实现RNA结合蛋白的光遗传学控制，研究团队基于合成生物学的合理设计和新的高通量筛选策略，首次构建了世界上第一个人工合成的光控RNA结合蛋白LicV。LicV由RNA结合结构域和LOV光敏结构域融合而成，分子量仅为23 kD。在黑暗条件下，LicV以单体形式存在，不能与特定的RNA序列结合。在蓝光照射下，LicV形成同型二聚体，特异性识别结合RAT序列。研究团队随后将LicV与不同的RNA效应域融合，分别获得光控RNA剪接因子、光控RNA定位因子、光控RNA翻译因子和光控RNA降解因子。他们利用这些光控RNA效应因子实现了对活细胞中RNA剪接、运输、翻译、降解等代谢行为的时间和空的精确控制。
此外，研究团队将LicV与CRISPR-Cas系统相结合，开发出全新的LA-CRISPR系统。在该系统中，含有大鼠序列的嵌合sgRNA可以募集光诱导的LicV-VPR光控转录因子二聚体，从而启动目的基因的转录和表达。通过在sgRNA中引入多个拷贝的大鼠序列，可以在光照条件下在启动子附近同时募集多个光控转录因子，使得LA-CRISPR系统对靶基因的激活效率比以往的系统高出一至三个数量级。利用LA-CRISPR系统，研究团队还实现了基因位点的高亮度、可逆标记，为基因组结构和功能研究提供了很好的工具。此外，LA-CRISPR系统具有很好的通用性，可以适用于来自多个物种的CRISPR-Cas系统。这项研究有望通过精确控制CRISPR系统的时机和量化，进一步降低CRISPR系统的脱靶效应，加速其未来的临床应用。
实时跟踪和精确控制活细胞RNA的创新方法的要求和技术挑战。杨毅及其合作者较早报道了Pepper的高性能荧光RNA，在亲和力、稳定性、信噪比、活细胞荧光亮度等方面提高了一到三个数量级。这是第一次在没有背景的情况下，在动物细胞上标记和成像各种RNA。该团队报道的LicV系列光控RNA效应因子，进一步实现了对活细胞内RNA生成、剪接、运输、翻译、降解等代谢活动的高时间空分辨率精密控制。结合Pepper和LicV技术，可以对活细胞进行时间和空尺度的RNA闭环监控，为进一步探索单个细胞中RNA的功能和复杂调控机制提供了有价值的创新研究工具。
本文第一作者为华东理工大学刘博士和博士，通讯作者为博士和杨毅博士。
原始链接:
https://doi.org/10.1038/s41587-021-01112-1
