王友军及合作者研发出首个单元件光控钙通道来干预疾病

王友军及合作者研发出首个单元件光控钙通道来干预疾病

责编 | 酶美


光敏感离子通道蛋白(Channelrhodopsin-2, ChR2)及其衍生物作为光遗传学中的重要工具,可以通过可见光调控活化和抑制神经细胞研究特定的神经元在大脑中的作用。但是,ChR2通道由于缺乏离子选择性 (可以通过Na+, H+,Ca2+, K+等),限制了其在非兴奋性细胞及组织中的应用。

北京师范大学王友军教授课题组与美国德州农工大学Huang YunZhou Yubin教授实验室合作,在2021年1月的Nature Communications杂志上发表题为“Engineering of a bona fide light-operated calcium channel”的文章。该工作通过将光敏感蛋白与一个钙特异性的离子通道(Ca2+ release-activated Ca2+ channel, CRAC) 结合,设计并研发出了蓝光精准调控并激活的具有高度选择性的钙离子通道LOCa (light operated calcium channel)。


王友军及合作者研发出首个单元件光控钙通道来干预疾病
由质膜上的ORAI离子通道蛋白与内质网膜上的STIM(stromal interaction molecule)蛋白共同介导的钙释放激活的钙离子通道(CRAC)参与调控基因表达、生长增殖以及衰老死亡等众多生物学过程,是动物细胞中普遍存在的一种重要钙信号产生机制。CRAC通道功能失调与许多疾病,特别是免疫疾病及包括阿尔兹海默症在内的神经退行性疾病等密切相关。因而,开发能操纵Ora i1钙离子通道的工具具有非常重要的科学和医学意义。光遗传学技术具有时空特异性高、可逆性强及毒副作用小等优点,是操纵钙信号的新兴方式。

Yubin Zhou 和王友军课题组在之前的研究中开发出了基于STIM的光控钙工具Opto-CRAC。该工具能响应470nm蓝光照射,发生结构改变并激活位于质膜上的特异性钙离子通道ORAI。Opto-CRAC诱导的钙信号依赖于细胞内源性ORAI蛋白量的表达,在没有ORAI或者ORAI低水平表达的细胞及组织中使用具有局限性。钙信号和光控遗传学研究领域内的科学家一直在寻求创造一种真正的光控钙通道,但是直接对具有四次跨膜的ORAI六聚体离子通道进行光遗传学改造具有巨大的挑战性。经过合作团队长达5年多的不懈努力,最终取得了成功。首次设计研发出一种单元件的光控钙通道:LOCa,并在细胞及个体水平上应用该工具,在不同方面展现了光开关的LOCa对CRAC相关疾病的治疗作用。

王友军及合作者研发出首个单元件光控钙通道来干预疾病
细胞水平上,LOCa能够有效抑制癌化造血干细胞的异常自我更新,精准调控靶基因表达以及细胞坏死性凋亡(necroptosis)。阿兹海默症(AD)是导致老年人认知障碍的最常见疾病之一,目前没有有效的药物治疗手段。课题组通过在阿尔兹海默症果蝇模型中表达LOCa, 发现蓝光照射后的AD果蝇攀爬能力得到了增强。这就意味着,研究人员可以通过蓝光照射减轻阿尔兹海默症的症状,这对进一步在哺乳动物实验中验证LOCa对阿尔兹海默症的干预及治疗具有重要的指导意义。以上结果均体现了LOCa在生物工程及生物医学中的潜在应用价值。
王友军及合作者研发出首个单元件光控钙通道来干预疾病

图1. LOCa的光开关反应及在体应用。(A)设计示意图,(B)可逆光控钙信号,(C)AD-LOCa果蝇设计示意图,(D)蓝光照射对AD果蝇攀爬能力的影响。

美国德州农工大学博士后何涟与北京师范大学博士生王刘清为该研究的共同第一作者;美国德州农工大学的Zhou Yubin教授、Huang Yun教授,北京师范大学的王友军教授为共同通讯作者。
原文链接:
https://www.nature.com/articles/s41467-020-20425-4
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