Nat Commun | 叶海峰/管宁子：探索植物源光敏色素伴侣蛋白助力哺乳动物光开关转录调控

PTRC系统的开发源于一次“失败的实验”，早在2019年设计开发REDMAP系统（该工作2021年已发表在Nature Biotechnology上，DOI: https://doi.org/10.1038/s41587-021-01036-）时，科研人员偶然发现将植物光敏色素蛋白PhyA的伴侣蛋白FHY1与DNA结合结构域融合表达时，会强烈激活所对应的报告基因的表达，这就导致只能将PhyA与DNA结合结构域进行融合，才顺利开发出了REDMAP系统。通过这次“失败”的实验，科研团队推测其伴侣蛋白FHY1可能在哺乳动物细胞中具有转录激活活性。

为了验证这个猜测，研究团队将多个植物来源的光敏蛋白与其伴侣蛋白分别与不同的DNA结合结构域进行了融合表达，最终发现，只有FHY1和FHL在哺乳动物细胞和小鼠中具有转录激活功能，并且FHL的转录激活能力甚至略大于传统的激活子VP16的激活能力。随后，研究团队对其DNA进行了截短，发现其转录激活的结构域位于C末端，巧合的是其与PhyA异源二聚的结构域也在C末端。研究团队将PhyA与FHL/FHY1共转至哺乳动物细胞中，利用红光和远红光，使PhyA与FHL/FHY1形成了一个可在不同光照条件下可切换的转录调控复合体（PTRC），可以通过红光或远红光的照射分别在活性和非活性状态之间切换。

基于这一原理，团队开发了一种光开关平台，能够实现基因转录的正交、模块化和可调控的控制，并将其整合到PTRC控制的CRISPRa系统（PTRCdcas）中，以调节内源基因的表达。进一步将PTRC系统与小分子或蓝光诱导的调控模块结合，构建了多种高度可调控的基因表达系统，能够在体外和体内快速、可逆地控制转录调控。这一平台的验证和建立为高阶生物计算机和生物医学工程应用提供了强大的工具。

这一创新性的光开关转录调控平台不仅在实验室研究中展现了其强大的应用潜力，还为未来的临床应用奠定了基础。通过简单的光照控制，研究人员可以精确地调控基因表达，为基因治疗、癌症研究和再生医学等领域提供了新的解决方案。这一研究突破不仅展示了植物基因资源在哺乳动物系统中的巨大潜力，也为合成生物学的未来发展提供了新的思路。研究团队表示，将继续探索这一平台在更广泛的生物系统和应用场景中的潜力，为实现更加精确和高效的基因调控贡献力量。

植物光敏伴侣蛋白FHL/FHY1的功能开发及其在哺乳动物体内的应用研究（Credit: Nature Communications）