光可以控制基因開關(guān)
光控開關(guān)系統(tǒng)由幾個相關(guān)聯(lián)的部分構(gòu)成，轉(zhuǎn)錄激活因子（TALE）， CRY2（一種光敏感蛋白）和 CIB1（ CRY2 的天然結(jié)合蛋白）。 DNA 結(jié)合蛋白 TALE 組合成特定的形式與 DNA 結(jié)合。 TALE 與 CRY2 融合在一起。當 CRY2 遇到光線，它就會改變結(jié)構(gòu)與 CIB1 結(jié)合。這幾部分協(xié)同作用，行使細胞的遺傳指令——調(diào)控 DNA 轉(zhuǎn)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蛋白相結(jié)合的形式參與基因表達的調(diào)控。光開關(guān)系統(tǒng)進入細胞后， TALE 與目的 DNA 結(jié)合。當有光線照射到細胞時， CRY2 蛋白與原本游離在細胞中的 CIB1 相結(jié)合。 CIB1 攜帶的基因活化蛋白啟動 DNA 的復(fù)制或者轉(zhuǎn)錄。或者， CIB1 攜帶的基因抑制蛋白抑制 DNA 的復(fù)制或者轉(zhuǎn)錄。
一個單一的光脈沖足以誘導(dǎo)蛋白結(jié)合，啟動 DNA 復(fù)制和轉(zhuǎn)錄。研究人員發(fā)現(xiàn)，每分鐘一次左右的光脈沖是實現(xiàn)連續(xù)轉(zhuǎn)錄zui有效的頻率。另外，連續(xù)給予30分鐘的光脈沖，目的基因轉(zhuǎn)錄 mRNA 的水平顯著增加，而光脈沖一旦停止， mRNA 的水平約在30分鐘內(nèi)開始下降。
研究人員通過對來自實驗室培養(yǎng)的神經(jīng)元和取自動物的細胞中的 30 個不同的基因進行研究發(fā)現(xiàn)，基因開關(guān)系統(tǒng)均可以使其轉(zhuǎn)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，該研究的創(chuàng)新點在于其光控開關(guān)系統(tǒng)控制的不是人工合成的基因，而是取自細胞的基因?；谶@一技術(shù)，可以觀測特定的基因在特定時間點的表達情況。
表觀遺傳學(xué)修飾
基因表達調(diào)控開關(guān)的另外一個作用就是研究表觀遺傳學(xué)修飾。表觀遺傳學(xué)一個重要的領(lǐng)域就是組蛋白的化學(xué)修飾。組蛋白可以與 DNA 結(jié)合在一起，控制相關(guān)基因的表達。研究人員發(fā)現(xiàn)可以通過 TALE 與組蛋白融合改變表觀遺傳學(xué)修飾。
表觀遺傳學(xué)修飾在學(xué)習和記憶形成過程中發(fā)揮了重要的作用，但是由于缺少有效的途徑干預(yù)組蛋白的修飾，導(dǎo)致這一課題沒有進一步深入研究。新技術(shù)的應(yīng)用可以地干預(yù)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，一些組蛋白的結(jié)構(gòu)域可以與光敏感蛋白結(jié)合，他們正在擴充可以被應(yīng)用到基因調(diào)控系統(tǒng)中的組蛋白修飾的類型。
