近日，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強(qiáng)磁場科學(xué)中心研究員王俊峰課題組與三家國外團(tuán)隊（教授黃韻、教授韓綱和教授周育斌課題組）合作，基于燕麥藍(lán)光受體蛋白LOV2，進(jìn)行了優(yōu)化循環(huán)排列（Circular permutation）設(shè)計，獲得了能夠提供不同鎖定界面的光控開關(guān)元件蛋白cpLOV2，進(jìn)一步拓展了LOV2系列蛋白在光遺傳學(xué)工程中的應(yīng)用。研究人員利用cpLOV2，實現(xiàn)了鈣離子通道的遠(yuǎn)程開啟、CRISPR–Cas9介導(dǎo)的基因編輯控制、基因轉(zhuǎn)錄的光控重編程、癌細(xì)胞自殺的激活以及光控細(xì)胞免疫療法來誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞體內(nèi)殺傷。相關(guān)研究成果以Circularly permuted LOV2 as a modular photoswitch for optogenetic engineering為題，在線發(fā)表在Nature Chemical Biology上。

LOV2是一種光控開關(guān)蛋白，受到藍(lán)光激發(fā)后，蛋白質(zhì)C端Jα螺旋會發(fā)生解旋并與感光核心PAS結(jié)構(gòu)域分離。研究人員將具有生命活動調(diào)控功能的不同蛋白質(zhì)效應(yīng)子（Effector）連接到LOV2的C端，利用其在黑暗下被鎖定失活、光照下被釋放激活的特點(diǎn)，來實現(xiàn)光遺傳學(xué)對生命活動的控制。然而，效應(yīng)子通常只能連接到LOV2蛋白的C端，其與光控元件相互作用鎖定界面相對有限，使得整個開發(fā)過程成功率不高。因此，拓展光控開關(guān)元件的選擇性有助于更快、更有效的構(gòu)建新型光遺傳學(xué)工具。

該研究中，研究人員對LOV2進(jìn)行了優(yōu)化循環(huán)排列（Circular permutation），設(shè)計構(gòu)建了cpLOV2，在保持PAS結(jié)構(gòu)域不變前提下，將蛋白質(zhì)的N、C兩個末端轉(zhuǎn)移到Jα螺旋的另一端，使光照釋放Jα螺旋的過程發(fā)生在蛋白的N端，從而拓展了效應(yīng)子的可用連接方式。在體外實驗中，研究人員利用液體核磁共振等技術(shù)，證明了cpLOV2具有與LOV2相似的整體結(jié)構(gòu)和光激發(fā)后Jα螺旋解旋并釋放的能力，并在LOVTRAP和iLID兩種光控蛋白二聚體系中實現(xiàn)了無縫轉(zhuǎn)化。

cpLOV2為光遺傳學(xué)應(yīng)用的開發(fā)提供了更多可能性。例如，在STIM1介導(dǎo)的光控ORAI鈣離子通道開放的應(yīng)用中，研究人員嘗試了多種不同的基于LOV2和cpLOV2構(gòu)建方式，結(jié)合STIM1效應(yīng)子SOAR、自抑制區(qū)域CC1等不同序列，新發(fā)現(xiàn)了幾種僅在cpLOV2構(gòu)建方式下可實現(xiàn)較強(qiáng)的光控通道激活效應(yīng)的組合，從而證明了cpLOV2與效應(yīng)子的作用界面、方式和LOV2存在顯著區(qū)別。cpLOV2對于需要自由N端的效應(yīng)子，如細(xì)胞程序性壞死（Necroptosis）的關(guān)鍵因子MLKL，cpLOV2-MLKL有效實現(xiàn)了光控的細(xì)胞死亡（LOV2-MLKL無法實現(xiàn)）。

嵌合抗原受體T細(xì)胞（CAR-T）免疫療法是一種治療癌癥的新方法，但由于CAR-T細(xì)胞治療時活性不可調(diào)控，部分癌癥患者會產(chǎn)生細(xì)胞因子釋放綜合征（cytokine release syndrome）等副作用。研究人員設(shè)計出基于cpLOV2的光控二聚體系（cpLID），以此為基礎(chǔ)，構(gòu)建了光敏嵌合抗原受體optoCAR。光響應(yīng)的optoCAR-T細(xì)胞可特異性識別CD19腫瘤抗原，導(dǎo)致T細(xì)胞活化、增殖且行使對Raji淋巴瘤細(xì)胞的殺傷。

在小鼠實驗中，研究人員利用上轉(zhuǎn)換納米顆粒（UCNPs），將機(jī)體高穿透性的紅外光轉(zhuǎn)換成藍(lán)光來激活注入小鼠體內(nèi)的optoCAR-T細(xì)胞，從而在動物模型上實現(xiàn)了針對淋巴瘤的高效光控治療。optoCAR-T療法較好的時間空間控制和可逆激活的能力，使得治療的脫靶效應(yīng)毒性減小，在不損失腫瘤殺傷效果的同時，有望減少副作用的產(chǎn)生。(生物谷Bioon.com）

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