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华东师大叶海峰课题组用远红光操控干细胞分化


发布时间:2018-07-05

  7月2日,国际著名学术期刊《美国国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, PNAS)在线刊登了华东师大生命科学学院、上海市调控生物学重点实验室、“青年千人”叶海峰研究员课题组最新研究成果:“Synthetic far-red light-mediated CRISPR-dCas9 device for inducing functional neuronal differentiation”。

PNAS在线刊登了叶海峰研究员课题组最新研究成果

  该项工作中,华东师范大学为第一完成单位,叶海峰研究员为该研究论文的唯一通讯作者,博士研究生邵佳伟(2016级)、副研究员王美艳和博士研究生余贵玲(2017级)为该研究论文的共同第一作者。研究人员巧妙利用合成生物学、光遗传学、基因编辑、再生医学等多学科技术交叉手段,开发出了一种新型光遗传学工具,即:远红光调控的CRISPR-dCas9内源基因转录激活装置(Far-red light(FRL)-activated CRISPR-dCas9 effector (FACE) device),简称FACE系统。他们将CRISPR-dCas9和光遗传学这两大技术相结合,开发出了远红光调控的CRISPR-dCas9内源基因转录激活装置(FACE),该系统具有诱导倍数高、组织穿透力强、高度时空特异性以及低毒性等优点。证明了FACE系统具有更好的组织穿透力,展现出FACE系统在未来体内临床应用研究中的巨大潜力,为将来临床应用奠定了坚实的基础。从理论上讲,利用该技术只要一束远红光就可以控制干细胞分化成任意一种想要的功能性细胞,比如心脏细胞、神经细胞等。

华东师范大学叶海峰课题组设计合成了一个强大的远红光调控的CRISPR-dCas9内源基因转录装置FACE系统,有着诱导倍数高、可逆性好以及高度时空特异性等特点,就像上图中所示中国古典神话小说《西游记》中能够进行七十二变、具有强大法力的孙悟空,可以通过吹一口气将猴毛变化出其他事物。为了测试FACE装置的强大功能,他们将人工设计合成的FACE装置导入至诱导型多功能干细胞(iPSCs)中,通过远红光的照射,成功的将iPSCs细胞诱导分化成有功能的神经细胞,从而证明了FACE装置可以远红光诱导下时空精准调控基因组基因的表达,可以广泛应用于基础和转化医学的研究。

图为远红光控制的CRISPR-dCas9内源基因转录激活装置(FACE)示意图

  研究者们利用合成生物学的设计原理,将来自于红细菌中响应远红光的蛋白BphS、链球菌中的转录因子BldD、酿脓链球菌中的dCas9蛋白等经理性设计、组装合成远红光调控的CRISPR-dCas9内源基因转录激活装置(FACE,见上图),在远红光照射下,能实现操控靶标基因上调表达的目的。首先,研究者们在细胞水平测试了FACE系统的功能。研究证明FACE在远红光的诱导下,激活内源基因具有很好的光照强度和时间的依赖性、广谱性、可逆性以及高度的时空特异性;研究者们还证明了FACE系统可以同时激活多个内源基因,且相互之间没有干扰,具有正交性,为研究基因组内源基因功能提供了强有力的技术手段。

图为FACE系统的高度时空特异性。远红光时空调控表达绿色荧光蛋白,可以实现使用远红光在体外培养的单层细胞上任意写字。左图为远红光时空特异性装置示意图,右图为镂空ECNU字样的Photomask和远红光激活细胞表达绿色荧光蛋白结果图。

  随后,研究者们将FACE装置通过电转导入小鼠后腿肌肉中,经远红光照射诱导后成功上调了小鼠肌肉中的Lmama1和Fst基因,实现表观遗传操控。而同等条件下,蓝光调控的CRISPR-dCas9内源基因转录系统(CPST2.0)则无法上调相应的基因表达(见下图)。证明了FACE系统具有更好的组织穿透力,展现出FACE系统在未来体内临床应用研究中的巨大潜力,有望用于治疗肌肉萎缩症,为将来临床应用奠定了坚实的基础。

图为小鼠体内验证FACE系统激活内源基因表达,实现表观遗传操控

图为FACE系统诱导多能干细胞(iPSC)产生功能性神经细胞的设计示意图

  最后,研究者们将FACE装置导入诱导性多能干细胞(iPSCs)中,同时导入靶向内源基因的sgRNA, 在远红光照射下能通过激活单个内源神经转录因子NEUROG2将iPSC成功分化为功能性神经细胞(上图)。为精准可控的再生医学研究提供了一种新策略和方法。

  总之,该研究首次在细胞水平和动物体内实现了利用远红光操控基因组内源基因的表达,并在远红光诱导下,成功地将干细胞诱导分化为功能性神经细胞。这些研究进一步开拓了光遗传学工具箱,为哺乳动物细胞基因组的精密时空遗传调控的基础理论研究和转化应用研究奠定了基础,进一步促进了基于光遗传学的精准治疗和临床转化研究。

从左起分别为:本研究共同第一作者博士研究生邵佳伟、余贵玲、副研究员王美艳以及本研究通讯作者叶海峰研究员

  该研究工作获得了国家自然科学基金委、国家科技部干细胞重大专项、上海市科委、青年千人计划和华东师范大学人才队伍启动经费资助。



通讯作者简介:

“青年千人”、“优青”获得者叶海峰研究员

  叶海峰研究员于2007.8-2013.12在瑞士苏黎世联邦理工学院(ETH Zurich)从事博士和博士后研究工作。于2014年2月底回到母校华东师范大学受聘为“紫江优秀青年学者”,担任生命科学学院,上海市调控生物学重点实验室研究员、博士生导师。主要从事合成生物学与生物医学工程领域的研究。主要研究内容包括:人工基因电路和定制细胞的设计与合成、光遗传学、精准可控基因编辑体系、代谢疾病智能诊疗、肿瘤免疫智能诊疗、合成生物学与再生医学、微生物合成生物学与疾病智能诊疗等。2015年入选中央组织部第十一批“青年千人计划”,2015年获得国家自然科学基金委“优青”资助。叶海峰博士回国工作以来带领自己的研究团队以通讯作者身份在Science Translational Medicine, Nature Biomedical Engineering, PNAS, Molecular Therapy 等高影响力杂志发表重要研究成果。


媒体关注:

人民日报头版|我科学家用远红外光操控干细胞分化

中国科学报头版|科学家用远红光操控干细胞分化

科技日报|用一束远红光“控制”细胞命运




图|王琛 文、来源|生命科学学院 编辑|吴冬妮 吕安琪 



作者: | 信息来源:新闻网 | 浏览次数:60

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