近日，中科院合肥研究院強磁場中心王俊峰研究員課題組與3家國外團隊（黃韻教授，韓綱教授和周育斌教授課題組）合作，基于燕麥藍光受體蛋白LOV2進行了優(yōu)化循環(huán)排列（Circular permutation）設計，獲得了能夠提供不同鎖定界面的光控開關元件蛋白cpLOV2，進一步拓展了LOV2系列蛋白在光遺傳學工程中的應用。該團隊利用cpLOV2實現(xiàn)了鈣離子通道的遠程開啟，CRISPR–Cas9介導的基因編輯控制，基因轉錄的光控重編程，癌細胞自殺的激活以及光控細胞免疫療法來誘導腫瘤細胞體內殺傷。該工作以“Circularly permuted LOV2 as a modular photoswitch for optogenetic engineering”為題在線發(fā)表于化學生物學領域頂級科技期刊Nature Chemical Biology。

       LOV2是一種光控開關蛋白，受到藍光激發(fā)后蛋白質C端Jα螺旋會發(fā)生解旋并與感光核心PAS結構域分離。研究者們將具有生命活動調控功能的不同蛋白質效應子（Effector）連接到LOV2的C端，利用其在黑暗下被鎖定失活、光照下被釋放激活的特點，來實現(xiàn)光遺傳學對生命活動的控制。然而，效應子通常只能連接到LOV2蛋白的C端，其與光控元件相互作用鎖定界面相對有限，使得整個開發(fā)過程成功率不高。因此拓展光控開關元件的選擇性有助于更快、更有效地構建新型光遺傳學工具。

       在本研究中，研究團隊對LOV2進行了優(yōu)化循環(huán)排列（Circular permutation）設計構建了cpLOV2，在保持PAS結構域不變前提下，將蛋白質的N、C兩個末端轉移到Jα螺旋的另一端，使得光照釋放Jα螺旋的過程發(fā)生在蛋白的N端，從而拓展了效應子的可用連接方式。在體外實驗中，研究團隊利用液體核磁共振等技術證明了cpLOV2具有與LOV2相似的整體結構，和光激發(fā)后Jα螺旋解旋并釋放的能力，并在LOVTRAP和iLID兩種光控蛋白二聚體系中實現(xiàn)了無縫轉化。

       cpLOV2為光遺傳學應用的開發(fā)提供了更多可能性。例如在STIM1介導的光控ORAI鈣離子通道開放的應用中，研究團隊嘗試了多種不同的基于LOV2和cpLOV2構建方式，結合STIM1效應子SOAR、自抑制區(qū)域CC1等不同序列，新發(fā)現(xiàn)了幾種僅在cpLOV2構建方式下可以實現(xiàn)較強的光控通道激活效應的組合，從而證明了cpLOV2與效應子的作用界面和方式與LOV2有顯著的區(qū)別。cpLOV2對于需要自由N端的效應子，例如細胞程序性壞死（Necroptosis）的關鍵因子MLKL，cpLOV2-MLKL有效地實現(xiàn)了光控的細胞死亡（LOV2-MLKL無法實現(xiàn)）。

       嵌合抗原受體T細胞（CAR-T）免疫療法是一種治療癌癥的新方法，但是由于CAR-T細胞治療時活性不可調控，部分癌癥患者會產生細胞因子釋放綜合征（cytokine release syndrome）等嚴重副作用。研究團隊設計了基于cpLOV2的光控二聚體系（cpLID），以此為基礎構建了光敏嵌合抗原受體optoCAR。光響應的optoCAR-T細胞可以特異性識別CD19腫瘤抗原，導致T細胞活化、增殖并且行使對Raji淋巴瘤細胞的殺傷。

       在小鼠實驗中，研究團隊利用上轉換納米顆粒（UCNPs）將機體高穿透性的紅外光轉換成藍光來激活注入小鼠體內的optoCAR-T細胞，從而在動物模型上實現(xiàn)了針對淋巴瘤的高效光控治療。optoCAR-T療法較好的時間空間控制和可逆激活的能力，使得治療的脫靶效應毒性大大減小，在不損失腫瘤殺傷效果的同時，有望減少副作用的產生。

       研究團隊計劃將進一步嘗試開發(fā)針對多種癌癥的光控optoCAR-T免疫療法。

中科院合肥物質科學研究院強磁場科學中心朱磊博士，以及合作團隊的何漣博士、譚鵬博士和黃凱是該文的共同第一作者，王俊峰研究員為該文的共同通訊作者。

       文章鏈接：https://dx.doi.org/10.1038/s41589-021-00792-9 

cpLOV2改造設計及其光遺傳學應用拓展 

新聞鏈接：http://www.hf.cas.cn/xwzx/tpxw/202105/t20210508_6010688.html