你已经听说过“自然与培育”，哲学家们争论哪个更为重要。但这如何在细胞水平上起作用?

尽管基因在整个生命周期中保持不变，但遗传密码并不一定是一个人的命运。事实上，可以打开和关闭基因以调节细胞内的许多活动。身体自然地响应内部需求或外部环境的变化，现在科学家能够在实验室中打开和关闭这些过程。换句话说，研究人员已经创建了一些工具，可以实现基因组特定位置的目标基因的实时激活。这项技术可以帮助科学家在不同的生物过程中阐明基因功能，并希望在再生医学中有用。德克萨斯A&M的研究人员正在使用两种常见元素创建一个系统：钙和光。

钙能够远远超过构建强壮的骨骼 - 在这个系统中发挥着重要作用，因为它的信号调节细胞内的许多活动，从生长和新陈代谢到体内平衡。

打开钙离子的流动

周玉斌，德克萨斯A&M生物科学与技术研究所副教授，领导该研究开发了他所谓的CaRROT系统(用于钙响应转录重编程工具)。该系统可以高精度地控制体内基因的转录 - 换句话说，它可以决定基因如何，何时以及何处产生执行各种细胞功能的蛋白质。

CaRROT使用简单的光脉冲或化学物质，可以诱导钙离子流入细胞。研究人员在最近发表于ACS Synthetic Biology期刊上的一篇文章中描述了他们的技术。“这项技术应该允许科学家通过简单地转换光线或添加或取出活化化合物来打开或关闭任何位置的各种基因，”周说。

研究人员设计了CaRROT来劫持光产生的钙信号(使用Opto-CRAC，​​周和他的团队开发的另一项技术)来提供源自CRISPR / Cas9系统的基因组工程工具来打开基因。“当灯打开时，控制钙离子的大门打开，允许钙从外部空间流入细胞的细胞质，”周氏实验室的研究生Nhung Nguyen表示。“这个过程最终会打开特定基因的表达。”然后，基因表达的开启导致细胞功能的改变。

“我们筛选了数十种工程化蛋白质并进行了多轮优化，使CaRROT系统严格响应光线，”周氏实验室的研究生兼联合第一作者Lian He博士补充道。为了评估CaRROT在哺乳动物细胞中的真实效果，研究小组将对控制神经元和骨骼肌分化的基因进行测试。他们希望他们可以在再生医学中使用CaRROT来驱动干细胞精确分化成所需的任何类型的器官，只需用光照射细胞即可。

“深层组织中光穿透的改善使我们乐观地认为我们可以使用CaRROT重建受损器官中的细胞，”该研究的合作高级作者Yun Huang博士说。“有一天，通过将组织暴露在光线下，我们可以通过光调谐协调的基因表达来治愈伤口或加速受损组织的再生。”

转变钙流入

在最近发表在Angewandte Chemie期刊上的第二项研究中，周和他的团队发明了一种新的光遗传学工具，可以做相反的工作。随着光照射在“兴奋”组织(如神经系统和心血管系统)中的细胞上，可以关闭通过细胞膜上的网关(称为电压门控钙通道)的钙流入。这些通道构成钙进入细胞的主要途径，调节一系列生理过程。由于它们的功能障碍涉及许多疾病，因此它们被认为是心血管和神经精神疾病的重要治疗靶点。

美国食品和药物管理局批准的传统钙通道阻滞剂已广泛用于治疗心血管疾病，包括高血压，心律失常和冠状动脉疾病。然而，由于它们的细胞毒性和脱靶效应，这些药物往往会引起副作用，包括头痛，水肿，危险的低血压和心悸。“由于这些副作用，临床上非常需要产生新的介入方法来补充传统的钙通道阻滞剂，”周说。“我们新的光遗传学工具提供了一种非常规方法来询问这些电压门控钙通道所治疗的生理和病理生理过程。”

周和他的合作者将遗传策略与光学技术相结合，为这些电压门控钙通道设计了一类新的遗传编码抑制剂。“经过极大的优化努力，我们开发出了一种理想的光可切割抑制剂，我们称之为optoRGK .OptoRGK在可兴奋细胞中表现出优异的光诱导抑制钙离子进入的能力，”周氏实验室助理项目科学家Guolin Ma博士说。谁是该项目的先锋。

研究小组在心肌细胞中测试了这种工具，它显示出黑暗中与心脏跳动节律相匹配的钙的节律性振荡。“然而，在蓝光照射下，节奏振荡可以大大减少甚至终止，”周说。“值得注意的是，这个过程在移除光源后是完全可逆的。”

通过这种方法，研究人员可以调节神经和心血管系统中可兴奋细胞的活动。“可光活化的Opto-CRAC系统的补充，optoRGK工具包提供了一个独特的机会来关闭可兴奋细胞中的钙信号，”北京师范大学这项研究的合作者YoujunWang博士说。

“我们的新型光遗传学工具可以方便地应用于控制多种生物系统中电压门控钙通道介导的各种生理过程，”Zhou补充说。“虽然传统的电压门控钙通道阻滞剂缺乏可逆性，选择性和组织特异性，但optoRGK开启了以前所未有的精确度干预相关生理过程的令人兴奋的机会。我们希望这些研究最终将导致新一代光遗传学器械用于治疗癌症，心血管疾病和神经系统疾病。“