光控蛋白研究领衔者

：《Nature  Methods》本月介绍了一位来自德国马普研究院的科学家：Ernst  Bamberg，十年前，这位科学家与另外两位电生理研究领域的著名学者Georg  Nagel和Peter  Hegemann，共同开始了探索引导绿藻向光性的蛋白的道路，这种蛋白与之前所知的光感蛋白不同，比如光活化细菌离子泵，这种藻类视紫质（algal  rhodopsins）蛋白属于光控离子通道，反应更快。

科学家们很难相信这种类似视紫红质的分子能作为一种离子通道——Bamberg教授说，“我们花了不少时间说服人们相信”，而Bamberg他们此时早已认识到这种光控离子通道的潜在价值。“在第一篇论文发表之前，我们就申请了一个专利，希望利用这种分子应用到电激活细胞上去，比如一些生物医药应用”（这一专利近期已被一家大型医药公司用于眼部视觉的基因治疗中）。

他们没有看走眼，现在这一离子通道视紫质（channelrhodopsins）已经成为了一项新技术的核心，这项技术就是在去年荣登Nature年度技术的光遗传学（optogenetics）。来自全球的研究人员纷纷报道了利用这种蛋白，调控神经元，心肌细胞，甚至活体小鼠和其它动物的信号的成果。这些应用又带来了新的惊喜，很少有人预期到这种微生物膜蛋白能用于动物细胞，“这对于我来说依然是个奇迹”，Bamberg说。

随着研究的深入，越来越多的光遗传学好消息传来，今年哈佛大学的一个研究小组通过激光刺激培养皿中自由游动的线虫的单个神经元，可以让它们开始或停止游动，给它们被抚摸的感觉，甚至可以促使它们产卵。这项技术有助于神经科学家更好地理解动物神经系统如何工作。

来自斯坦福大学的华裔研究组则接连设计了几种新颖的光遗传学工具，可以更好的分析活体哺乳动物大脑神经环路生理现象，比如他们将光遗传学技术结合细菌人工染色体（BAC）转基因策略成功构建了四种神经元可被蓝光激活的转基因小鼠动物模型。

除此之外，此次同期Nature  Methods还报道Bamberg研究组的一项最新成果：看似简单的融合方法解决了光遗传学研究的一大问题。之前的研究表明channelrhodopsin-2受到蓝光的刺激时，会导致阳离子通过细胞膜，细胞去极化，神经元激活，而盐菌紫质（halorhodopsin）在受到橙色光的刺激时，则会引发氯离子通过细胞膜，细胞极化，阻止细胞激活。

如果能很好的利用这一现象，就能更好的通过光遗传学分析生物现象，但是要实现这个方法，却不容易，因为当细胞表达两种光遗传学蛋白的时候，它们表达两种蛋白的表达水平不均衡，一种可能很多，而另一种可能很少。而且不同细胞的表达比率也不一致。

为了解决这个问题，Bamberg研究组想到了一个看似简单的方法：他们利用一种蛋白工程方法，研发了一种融合蛋白，这种蛋白中两个光遗传学工具物理上相连，这样这两个蛋白不仅会一起表达了，而且还会同时出现在细胞膜上。

具体的细节当然更复杂——如果这两种蛋白直接物理上连接，那么其中一种就会关闭另外一种，因此研究人员在其中添加了一个螺旋helix，为了能连接这两种蛋白，他们选择的是大鼠一种ATP酶中的一部分，和一个荧光蛋白的一部分。

最初这看起来十分不错，这一融合体似乎能出现在细胞膜上了，“我们看到了一些成果，感到十分高兴”，Bamberg表示，“然后我们开始分析这些数据，结果我们发现这个融合体无法正常工作”，挫折并不意外，Bamberg说，“科学就是这样，你不能定下一个（完整的）计划，说这一定能行。”

Bamberg研究组继续进行了改造：改变连接体长度，开启每一种视紫红质所在那一边的连接体，最终，在尝试了约20个融合体后，他们获得了可靠的结果，这对蛋白能精确的调控培养神经细胞中的膜电位。

就像是作为嘉奖，这个连接体被发现能作用于几种光遗传学工具中，除了连接channelrhodopsin-2和halorhodopsin外，研究人员还将蓝光作为吸收光源的channelrhodopsin-2，与黄光作为吸收光源的channelrhodopsin-1连接了起来，可以用于在可见光广谱范围内激活神经细胞。“现在我们有了能将各种视紫质连接在一起的‘磁带’了”，Bamberg说。

这项成果无疑是重要的，因为利用这种方法，光遗传学工具能帮助科学家们精确激活或者移植某种特殊的神经元，从而在大脑神经功能研究，行为研究中大放异彩。目前研究人员还打算在模式动物中进行进一步的分析实验。

作为2010年最受关注的技术成果，光遗传学工具不仅能用于神经研究领域，比如激活清醒哺乳动物的单一神经元，直接演示神经元激活表现出的行为结果，而且还能拓展到细胞生物学或者细胞发育等研究领域，这一技术开辟了一个新的令人激动的研究领域，科学家们可以挑选出一种类型的细胞然后发现其功能