稳态强磁场实验装置用户开发出光遗传学新型光控元件蛋白cpLOV2
时间 : 2021-05-14     

 近日,稳态强磁场实验装置SHMFF用户中科院合肥物质科学研究院强磁场科学中心王俊峰研究团队联合三家国外研究团队(黄韵教授、韩纲教授和周育斌教授),在SHMFF所属的超导磁体SM3 及配套NMR支持下,针对燕麦蓝光受体蛋白LOV2进行了优化循环排列(Circular permutation)设计,获得了能够提供不同锁定界面的光控开关元件蛋白cpLOV2,进一步拓展了LOV2系列蛋白在光遗传学工程中的应用。该团队利用cpLOV2实现了钙离子通道的远程开启,CRISPR–Cas9介导的基因编辑控制,基因转录的光控重编程,癌细胞自杀的激活以及光控细胞免疫疗法来诱导肿瘤细胞体内杀伤。该工作以“Circularly permuted LOV2 as a modular photoswitch for optogenetic engineering”为题在线发表于化学生物学领域顶级科技期刊Nature Chemical Biology 

LOV2是一种光控开关蛋白,受到蓝光激发后蛋白质CJα螺旋会发生解旋并与感光核心PAS结构域分离。研究者们将具有生命活动调控功能的不同蛋白质效应子(Effector)连接到LOV2C端,利用其在黑暗下被锁定失活,光照下被释放激活的特点来实现光遗传学对生命活动的控制。然而,效应子通常只能连接到LOV2蛋白的C端,其与光控元件相互作用锁定界面相对有限,使得整个开发过程成功率不高。因此拓展光控开关元件的选择性有助于更快、更有效地构建新型光遗传学工具。 

在本研究中,研究团队利用循环排列这种在荧光蛋白探针和生物催化剂领域广泛适用的蛋白质工程方法构建了cpLOV2,在保持PAS结构域不变前提下,将蛋白质的NC两个末端转移到Jα螺旋的另一端,使得光照释放Jα螺旋的过程发生在蛋白的N端,从而拓展了效应子的可用连接方式。在体外实验中,研究团队利用液体核磁共振等技术证明了cpLOV2具有与LOV2相似的整体结构,和光激发后Jα螺旋解旋并释放的能力,并在LOVTRAPiLID两种光控蛋白二聚体系中实现了无缝转化。 

cpLOV2为光遗传学应用的开发提供了更多可能性。例如在STIM1介导的光控ORAI钙离子通道开放的应用中,研究团队尝试了多种不同的基于LOV2cpLOV2构建方式,结合STIM1效应子SOAR、自抑制区域CC1等不同序列,新发现了几种仅在cpLOV2构建方式下可以实现较强的光控通道激活效应的组合,从而证明了cpLOV2同效应子的作用界面和方式与LOV2有显著的区别。cpLOV2对于需要自由N端的效应子,例如细胞程序性坏死(Necroptosis的关键因子MLKLcpLOV2-MLKL有效地实现了光控的细胞死亡(LOV2-MLKL无法实现) 

嵌合抗原受体T细胞(CAR-T)免疫疗法是一种治疗癌症的新方法,但是由于CAR-T细胞治疗时活性不可调控,在部分癌症患者会产生细胞因子释放综合征(cytokine release syndrome)等严重副作用。研究团队设计了基于cpLOV2的光控二聚体系(cpLID),以此为基础构建了光敏嵌合抗原受体optoCAR。光响应的optoCAR-T细胞可以特异性识别CD19肿瘤抗原,导致T细胞活化、增殖并且行使对Raji淋巴瘤细胞的杀伤。在小鼠实验中,研究团队利用上转换纳米颗粒(UCNPs)将机体高穿透性的红外光转换成蓝光来激活注入小鼠体内的optoCAR-T细胞,从而在动物模型实现了针对淋巴瘤的高效光控治疗。optoCAR-T疗法较好的时间空间控制和可逆激活的能力,使得治疗的脱靶效应毒性大大减小,在不损失肿瘤杀伤效果的同时,有望减少副作用的产生。研究团队也计划在后续进一步地尝试开发针对多种癌症的光控optoCAR-T免疫疗法。 

文章链接:https://dx.doi.org/10.1038/s41589-021-00792-9 

 

图:cpLOV2改造设计及其光遗传学应用拓展