最新！華東師大葉海峰課題組用遠紅光操控幹細胞命運
7月2日，國際著名學術期刊《美國國家科學院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, PNAS）在線刊登了華東師大生命科學學院、上海市調控生物學重點實驗室、「青年千人」葉海峰研究員課題組最新研究成果：「Synthetic far-red light-mediated CRISPR-dCas9 device for inducing functional neuronal differentiation」。
PNAS在線刊登了葉海峰研究員課題組最新研究成果
該項工作中，華東師範大學為第一完成單位，葉海峰研究員為該研究論文的唯一通訊作者，博士研究生邵佳偉（2016級）、副研究員王美艷和博士研究生余貴玲（2017級）為該研究論文的共同第一作者。研究人員巧妙利用合成生物學、光遺傳學、基因編輯、再生醫學等多學科技術交叉手段，開發出了一種新型光遺傳學工具，即：遠紅光調控的CRISPR-dCas9內源基因轉錄激活裝置（Far-red light（FRL）-activated CRISPR-dCas9 effector (FACE) device），簡稱FACE系統。他們將CRISPR-dCas9和光遺傳學這兩大技術相結合，開發出了遠紅光調控的CRISPR-dCas9內源基因轉錄激活裝置（FACE），該系統具有誘導倍數高、組織穿透力強、高度時空特異性以及低毒性等優點。證明了FACE系統具有更好的組織穿透力，展現出FACE系統在未來體內臨床應用研究中的巨大潛力，為將來臨床應用奠定了堅實的基礎。從理論上講，利用該技術只要一束遠紅光就可以控制幹細胞分化成任意一種想要的功能性細胞，比如心臟細胞、神經細胞等。
通訊作者簡介：
「青年千人」、「優青」獲得者葉海峰研究員
葉海峰研究員於2007.8-2013.12在瑞士蘇黎世聯邦理工學院（ETH Zurich）從事博士和博士後研究工作。於2014年2月底回到母校華東師範大學受聘為「紫江優秀青年學者」，擔任生命科學學院，上海市調控生物學重點實驗室研究員、博士生導師。主要從事合成生物學與生物醫學工程領域的研究。主要研究內容包括：人工基因電路和定製細胞的設計與合成、光遺傳學、精準可控基因編輯體系、代謝疾病智能診療、腫瘤免疫智能診療、合成生物學與再生醫學、微生物合成生物學與疾病智能診療等。2015年入選中央組織部第十一批「青年千人計劃」，2015年獲得國家自然科學基金委「優青」資助。葉海峰博士回國工作以來帶領自己的研究團隊以通訊作者身份在Science Translational Medicine, Nature Biomedical Engineering, PNAS, Molecular Therapy 等高影響力雜誌發表重要研究成果。
華東師範大學葉海峰課題組設計合成了一個強大的遠紅光調控的CRISPR-dCas9內源基因轉錄裝置FACE系統，有著誘導倍數高、可逆性好以及高度時空特異性等特點，就像上圖中所示中國古典神話小說《西遊記》中能夠進行七十二變、具有強大法力的孫悟空，可以通過吹一口氣將猴毛變化出其他事物。為了測試FACE裝置的強大功能，他們將人工設計合成的FACE裝置導入至誘導型多功能幹細胞（iPSCs）中，通過遠紅光的照射，成功的將iPSCs細胞誘導分化成有功能的神經細胞，從而證明了FACE裝置可以遠紅光誘導下時空精準調控基因組基因的表達，可以廣泛應用於基礎和轉化醫學的研究。
圖為遠紅光控制的CRISPR-dCas9內源基因轉錄激活裝置（FACE）示意圖
研究者們利用合成生物學的設計原理，將來自於紅細菌中響應遠紅光的蛋白BphS、鏈球菌中的轉錄因子BldD、釀膿鏈球菌中的dCas9蛋白等經理性設計、組裝合成遠紅光調控的CRISPR-dCas9內源基因轉錄激活裝置（FACE，見上圖），在遠紅光照射下，能實現操控靶標基因上調錶達的目的。首先，研究者們在細胞水平測試了FACE系統的功能。研究證明FACE在遠紅光的誘導下，激活內源基因具有很好的光照強度和時間的依賴性、廣譜性、可逆性以及高度的時空特異性；研究者們還證明了FACE系統可以同時激活多個內源基因，且相互之間沒有干擾，具有正交性，為研究基因組內源基因功能提供了強有力的技術手段。
圖為FACE系統的高度時空特異性。遠紅光時空調控表達綠色熒光蛋白，可以實現使用遠紅光在體外培養的單層細胞上任意寫字。左圖為遠紅光時空特異性裝置示意圖，右圖為鏤空ECNU字樣的Photomask和遠紅光激活細胞表達綠色熒光蛋白結果圖。
隨後，研究者們將FACE裝置通過電轉導入小鼠後腿肌肉中，經遠紅光照射誘導後成功上調了小鼠肌肉中的Lmama1和Fst基因，實現表觀遺傳操控。而同等條件下，藍光調控的CRISPR-dCas9內源基因轉錄系統(CPST2.0)則無法上調相應的基因表達（見下圖）。證明了FACE系統具有更好的組織穿透力，展現出FACE系統在未來體內臨床應用研究中的巨大潛力，有望用於治療肌肉萎縮症，為將來臨床應用奠定了堅實的基礎。
圖為小鼠體內驗證FACE系統激活內源基因表達，實現表觀遺傳操控
圖為FACE系統誘導多能幹細胞（iPSC）產生功能性神經細胞的設計示意圖
最後，研究者們將FACE裝置導入誘導性多能幹細胞（iPSCs）中，同時導入靶向內源基因的sgRNA, 在遠紅光照射下能通過激活單個內源神經轉錄因子NEUROG2將iPSC成功分化為功能性神經細胞（上圖）。為精準可控的再生醫學研究提供了一種新策略和方法。
總之，該研究首次在細胞水平和動物體內實現了利用遠紅光操控基因組內源基因的表達，並在遠紅光誘導下，成功地將幹細胞誘導分化為功能性神經細胞。這些研究進一步開拓了光遺傳學工具箱，為哺乳動物細胞基因組的精密時空遺傳調控的基礎理論研究和轉化應用研究奠定了基礎，進一步促進了基於光遺傳學的精準治療和臨床轉化研究。
從左起分別為：本研究共同第一作者博士研究生邵佳偉、余貴玲、副研究員王美艷以及本研究通訊作者葉海峰研究員
該研究工作獲得了國家自然科學基金委、國家科技部幹細胞重大專項、上海市科委、青年千人計劃和華東師範大學人才隊伍啟動經費資助。
信息來源| 生命科學學院
編輯| 吳冬妮
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