雖然人類(lèi)基因組大約有兩萬(wàn)多個(gè)基因，但是只有一小部分基因是持續進(jìn)行轉錄和翻譯的。這是根據細胞的狀態(tài)決定的，而細胞的狀態(tài)是隨時(shí)變化的。研究人員希望尋找快速控制基因的開(kāi)關(guān)，以探究基因的表達情況。

　　哈佛-麻省理工博德研究所（Broad Institute of MIT and Harvard）的研究人員，借助一項新技術(shù)找到了一個(gè)可以快速啟動(dòng)或者終止基因的表達的途徑，那就是照射細胞的光。

　　這項工作是基于一項被稱(chēng)為光遺傳學(xué)的技術(shù)進(jìn)行的研究。光遺傳學(xué)技術(shù)的原理是光可以改變光敏感蛋白質(zhì)的功能。幾乎就在光出現的同時(shí)，光敏感蛋白接收光信號，快速促進(jìn)或者抑制基因的表達。

　　麻省理工學(xué)院腦認知方向的研究生 Silvana Konermann 表示：“基因表達是一個(gè)快速的動(dòng)態(tài)過(guò)程，迄今為止， 用來(lái)干預基因表達的方法都是非動(dòng)態(tài)的。如果要想更深入地了解基因表達的動(dòng)態(tài)變化情況，就必須用一些與這個(gè)過(guò)程相符的動(dòng)態(tài)的自然發(fā)生的手段干預基因的表達。”

　　如果能夠精確地控制基因表達和持續的時(shí)間，就能了解某些特定基因的功能，尤其是那些參與學(xué)習和記憶的基因。其還能應用于表觀(guān)遺傳學(xué)修飾的研究。

　　目前這一研究在線(xiàn)刊登在了近期出版的《Nature》雜志上。該論文的資深作者是麻省理工學(xué)院麥戈文腦研究所的助理教授張鋒，他同時(shí)也是布羅德研究所（Broad Institute）的核心成員。

　　光控開(kāi)關(guān)

　　光控開(kāi)關(guān)系統由幾個(gè)相關(guān)聯(lián)的部分構成，轉錄激活因子（TALE）， CRY2（一種光敏感蛋白）和 CIB1（ CRY2 的天然結合蛋白）。 DNA 結合蛋白 TALE 組合成特定的形式與 DNA 結合。 TALE 與 CRY2 融合在一起。當 CRY2 遇到光線(xiàn)，它就會(huì )改變結構與 CIB1 結合。這幾部分協(xié)同作用，行使細胞的遺傳指令——調控 DNA 轉錄成 mRNA 。

　　利用這一原理，研究人員將 CIB1 改造成可以與另外一個(gè)蛋白相結合的形式參與基因表達的調控。光開(kāi)關(guān)系統進(jìn)入細胞后， TALE 與目的 DNA 結合。當有光線(xiàn)照射到細胞時(shí)， CRY2 蛋白與原本游離在細胞中的 CIB1 相結合。 CIB1 攜帶的基因活化蛋白啟動(dòng) DNA 的復制或者轉錄。或者， CIB1 攜帶的基因抑制蛋白抑制 DNA 的復制或者轉錄。

　　一個(gè)單一的光脈沖足以誘導蛋白結合，啟動(dòng) DNA 復制和轉錄。研究人員發(fā)現，每分鐘一次左右的光脈沖是實(shí)現連續轉錄最有效的頻率。另外，連續給予30分鐘的光脈沖，目的基因轉錄 mRNA 的水平顯著(zhù)增加，而光脈沖一旦停止， mRNA 的水平約在30分鐘內開(kāi)始下降。

　　研究人員通過(guò)對來(lái)自實(shí)驗室培養的神經(jīng)元和取自動(dòng)物的細胞中的 30 個(gè)不同的基因進(jìn)行研究發(fā)現，基因開(kāi)關(guān)系統均可以使其轉錄水平增加。

　　斯坦福大學(xué)生物工程和光遺傳學(xué)教授 Karl Deisseroth 說(shuō)，該研究的創(chuàng )新點(diǎn)在于其光控開(kāi)關(guān)系統控制的不是人工合成的基因，而是取自細胞的基因。基于這一技術(shù)，可以觀(guān)測特定的基因在特定時(shí)間點(diǎn)的表達情況。

　　表觀(guān)遺傳學(xué)修飾

　　基因表達調控開(kāi)關(guān)的另外一個(gè)作用就是研究表觀(guān)遺傳學(xué)修飾。表觀(guān)遺傳學(xué)一個(gè)重要的領(lǐng)域就是組蛋白的化學(xué)修飾。組蛋白可以與 DNA 結合在一起，控制相關(guān)基因的表達。研究人員發(fā)現可以通過(guò) TALE 與組蛋白融合改變表觀(guān)遺傳學(xué)修飾。

　　表觀(guān)遺傳學(xué)修飾在學(xué)習和記憶形成過(guò)程中發(fā)揮了重要的作用，但是由于缺少有效的途徑干預組蛋白的修飾，導致這一課題沒(méi)有進(jìn)一步深入研究。新技術(shù)的應用可以精確地干預單一基因的表達，從而給該課題的研究提供了可能性。

　　目前，研究人員已經(jīng)證實(shí)，一些組蛋白的結構域可以與光敏感蛋白結合，他們正在擴充可以被應用到基因調控系統中的組蛋白修飾的類(lèi)型。

　　該研究小組的成員 Mark Brigham 表示：“擴充可控的表觀(guān)遺傳學(xué)標記的數量是非常有用的，希望大家能將這一技術(shù)利用起來(lái)。”