Science Advances|新技术：有针对性地将基因导入单个细胞

将理想的基因插入动物或人类细胞的能力是现代生命科学研究和广泛的生物医学应用的基础。迄今为止，用于这一目的的方法大多是非特异性的，这使得科学家很难控制哪些细胞会或不会接受一个基因。对于这种基因转移，目标基因通常被包装成“病毒载体”这些病毒的部分遗传物质已被目标基因所取代。

当研究人员将这些病毒载体加入细胞时，载体将这些基因导入细胞。这就是目前某些 SARS-CoV-2疫苗背后的原理，比如阿斯利康公司或强生公司的疫苗。然而，要控制目标基因进入哪些细胞是困难的，甚至是不可能的，因为病毒载体倾向于非特异性地停靠在某种细胞类型的所有细胞上。

由 Maximilian h ö rner 博士，Wolfgang Schamel 教授和 Wilfried Weber 教授领导的弗赖堡大学综合生物信号研究中心的研究团队，已经开发出一种新技术，使他们能够以可控的方式引入目标基因，从而控制单个选定细胞的过程。研究人员已经在最新一期的《科学进展》杂志上发表了他们的研究成果。

病毒载体的改变

在他们的新方法中，弗莱堡的研究人员用光学遥控器引入了基因信息。因此，只有被红光照射的细胞才能获得所需的基因。为了做到这一点，科学家们改良了一种病毒载体，称为 AAV 载体，这种载体已经在临床应用。“我们去掉了病毒载体与细胞对接的能力,”Hörner 解释说，“这是引入遗传物质之前必不可少的一步。”

为了通过光来实现这种控制，研究人员从植物拟南芥中提取了一个红光感光系统。这个系统由两种蛋白质组成，PhyB 和 PIF，它们在 PhyB 被红光照射后立即结合在一起。弗赖堡研究小组将 PIF 蛋白置于病毒载体表面，并修饰另一种蛋白 phib，使其能与人类细胞结合。一旦这种被称为 OptoAAV 的修饰载体与细胞结合蛋白一起进入细胞培养，这种蛋白就会与所有细胞结合。Hörner 解释说: “如果一个被选中的细胞现在被红光照射，经过修饰的载体可以与这个细胞结合，并将目标基因导入被照射的细胞。”。

生物信号研究的一个重要方面

这种新方法允许研究人员在组织培养中将目标基因导入所需的细胞。科学家们还成功地在不同的位置连续地照亮了组织培养，从而使不同的基因有针对性地导入到培养物中的不同细胞中。有了这项技术，现在就可以控制单个细胞中所需的过程。这对于理解单个细胞如何与周围环境中的细胞进行交流是至关重要的，例如，控制器官的发育或再生。“随着这些病毒载体在治疗领域的应用越来越广泛,”韦伯说，“我们认为这项新技术有可能使这种生物医学应用更加精确。”

生物信号综合研究中心

弗赖堡大学综合生物信号研究中心的研究人员正在研究决定人类、动物和植物多细胞生命的基本通讯过程。通过这种方式，他们的目标是对生物信号过程获得更高水平的、综合的理解，以便利用合成生物学和化学生物学的方法来开发定制的分子工具，以精确地控制信号过程。通过这种方式，研究人员寻求制定策略，用免疫疗法治疗癌症或节约资源的作物生产，等等。Maximilian h ö rner 和 Wolfgang Schamel 是卓越集群的组长，Wilfried Weber 是演讲团队的成员。

Maximilian Hörner, Carolina Jerez-Longres, Anna Hudek, Sebastian Hook, O. Sascha Yousefi, Wolfgang W. A. Schamel, Cindy Hörner, Matias D. Zurbriggen, Haifeng Ye, Hanna J. Wagner, Wilfried Weber. Spatiotemporally confined red light-controlled gene delivery at single-cell resolution using adeno-associated viral vectors. Science Advances, 2021; 7 (25): eabf0797 DOI: 10.1126/sciadv.abf0797

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