基因治疗旨在通过修复或改造异常基因来治疗疾病，但是往往在控制基因表达的时间和空间上存在一定的局限性，难以实现精准调控。而光遗传学技术的出现，为解决这一问题提供了新思路。
然而，现有的红光调控工具在临床应用中仍然具有很大的局限性，比如光控模块大，响应光的速度慢，需要外源注射色素分子等问题。
2024年11月27日，华东师范大学叶海峰团队在 Nature Communications 期刊上发表的“A sensitive red/far-red photoswitch for controllable gene therapy in mouse models of metabolic diseases”一文中介绍了一种该团队开发的新型光遗传学工具 REDLIP 系统。这种 REDLIP 系统可以基于独特的光敏感蛋白机制，在红光/远红光的照射下，精准控制基因表达，从而用于小鼠代谢疾病模型中的可控基因治疗。
对于许多光遗传学应用而言，红光/远红光优于其他波长，因为其具有深层组织穿透、低光散射和低光细胞毒性等优势。
REDLIP 系统的核心组成部分包括嵌合光感蛋白 FnBphP 或 PnBphP 以及它们的相互作用蛋白 LDB3。当受到 660nm 的红光照射时，FnBphP 或 PnBphP 会与 LDB3 相互作用，从而精确地启动基因表达。而当 780nm 的远红光出现时，它们又会与 LDB3 解离，终止转基因表达。因此，基于这种光控的开关机制，则可以在需要的时候开启或关闭基因表达。
在设计和构建 REDLIP 系统时，为了提升调控的精准性，研究团队利用细菌光敏色素光感受器 DrBphP 为基础，融合了植物光敏蛋白 PhyA 或 真菌光敏蛋白 FphA 的 N 端延伸（NTE），构建出了嵌合光感蛋白 BphP（PnBphP 或 FnBphP），并将其与 Gal4 DNA 结合域融合，形成了杂交 DNA 结合蛋白。同时，LDB3 与杂交转录激活因子 p65-HSF1 融合，形成了光诱导转录激活因子。通过不断地优化，研究人员发现 VP64 与 2 个核定位信号（NLS）融合时，诱导倍数最高；LDB3 与 p65-HSF1 融合时，诱导效率最佳；启动子驱动 SEAP 表达时，诱导倍数也能达到较高水平。这些优化措施使得 REDLIP 系统的性能得到了极大的提升。最终，与现有的红光/远红光响应光遗传系统相比，REDLIP 系统的性能展现出了更高的灵敏度和特异性，不仅激活所需的照明时间更短，开启/关闭更加快速，并且对于基因表达有着更加强有力的激活作用（>100 倍）。
在体外培养的细胞实验中，该系统展现了强大精准的的调控能力。研究人员将 REDLIP 系统导入 HEK-293T 细胞，通过精确控制红光/远红光的照射，成功实现了对报告基因 SEAP（分泌型碱性磷酸酶）表达的精准调控。实验结果表明，在特定波长（660nm）和强度（2.0 mW/cm²）的红光照射下，SEAP 基因的表达量显著增加，且这种增加呈现出明显的光照时间和强度依赖性
研究人员还对 REDLIP 系统的光特异性进行了深入研究。实验发现，只有在特定波长（660nm）的红光照射下，SEAP 基因才会被有效激活，而其他波长的光（如紫外光、蓝光、绿光、远红光等）对基因表达几乎没有影响。无论是在 HEK-293T 细胞，还是在 HeLa、hMSC - TERT、Hana3A 和 ATDC5 等多种哺乳动物细胞系中，REDLIP 系统都能游刃有余地调控基因表达，并且还能实现空间特异性的基因激活。这意味着它可以在特定的细胞区域内精准地控制基因的开启和关闭。
在动物实验中，REDLIP 系统同样表现良好。对于 1 型糖尿病小鼠，研究人员通过 AAV 载体将 REDLIP 系统与胰岛素基因相结合并递送至小鼠体内，然后利用光照控制胰岛素基因的表达。结果显示，接受光照治疗的小鼠，其胰岛素水平显著提高。最终，小鼠的血糖水平从原本的高血糖状态逐渐下降并趋于稳定，接近正常小鼠的血糖范围。
不仅如此，在高脂肪饮食（HFD）诱导的肥胖模型小鼠中，研究人员利用该系统控制小鼠体内胸腺基质淋巴细胞生成素（TSLP）的表达。实验数据显示，经光照治疗后，肥胖小鼠的体重明显下降，体脂率也显著降低，同时，与代谢相关的指标如血脂、血糖等也趋于正常水平。
总而言之，REDLIP 系统为基因治疗的发展带来了诸多新突破。精确的针对特定的基因进行调控，而减少对其他正常基因的影响，将使得治疗效果更加显著。而非侵入性、快速的开关特性和可逆性让治疗过程更加灵活可控，可以根据患者的具体情况随时调整治疗方案的特点，为患者带来了更好的治疗体验。相信在不久的将来，REDLIP 系统将不断完善，为更多代谢性疾病患者的治疗带来新的突破。
参考文献：
1.https://www.nature.com/articles/s41467-024-54781-2
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