科學家用藍光激活青蛙胚胎中信號通路，以應對癌癥的脫靶毒性

近日，伊利諾伊大學厄巴納香檳分校團隊在非洲爪蟾胚胎中發(fā)現(xiàn)了一種Wnt信號通路，研究人員設計了低密度脂受體蛋白（LRP6，Lipoprotein Receptor-related Protein-6）回應藍光，這種設計思路對光的強度和作用時間可進行微調(diào)，進而推廣到其他涉及膜結合受體的Wnt信息通路。

LRP6系統(tǒng)的構建和驗證

在大多數(shù)光動力學治療應用中，經(jīng)常利用光來產(chǎn)生活性氧等高能化學物質(zhì)，這種沒有精確地區(qū)分正常組織和病變組織的方法，使得靶向治療不能產(chǎn)生明顯的效果。

該團隊有關成員表示：“我們已經(jīng)證明‘藍光一可以激活爪蟾胚胎不同身體部位的Wnt信號通路，我們設想對空間定義的細胞功能刺激，在應對脫靶毒性挑戰(zhàn)方面具有很大的幫助。”

相關論文以《非洲爪蟾胚胎發(fā)育過程中經(jīng)典Wnt信號通路的光遺傳學控制》為題發(fā)表在《分子生物學雜志》上。

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由伊利諾伊大學厄巴納香檳分校比較生物科學系楊靜教授、張凱教授擔任共同通訊作者。

該研究成果揭示了光遺傳學控制技術對動物胚胎發(fā)育具有很大的研究意義。該團隊發(fā)現(xiàn)在光遺傳學系統(tǒng)中，非洲爪蟾活胚胎中受體酪氨酸激酶信號傳導性會更好。

目前，已經(jīng)證明了細胞在脊椎動物組織中分布著Wnt蛋白，科學家在細胞相互交流方式方面取得了關鍵的突破，埃克塞特大學生命系統(tǒng)研究所的專家，已經(jīng)證明了Wnt蛋白信號通路在分子和細胞水平上運動機理。

關于Wnt信號通路有兩點值得關注：一是Wnt蛋白是通過較小的細胞群和細胞增殖分化而來的，其身體軸的圖案有助于確定首尾部位發(fā)育中形成的位置;二是在分子水平Wnt細胞體的約束機制尚不明確。

該團隊在之前的研究表明，光遺傳學系統(tǒng)可以精確激活受體酪氨酸激酶信號傳導，可推廣用于新型光遺傳學工具的開發(fā)。為了對這一推測進行驗證，該團隊將重點放在Wnt通路的研究上。為了驗證基于細胞質(zhì)到膜易位的光遺傳學方法在Wnt通路中能夠行得通，該團隊選擇Wnt配體的輔助受體LRP6作為研究載體。

LRP6具有如下特征，一般情況下呈現(xiàn)非活動狀態(tài)，而且在沒有配體時，LRP6不能在非洲爪蟾胚胎中顯示W(wǎng)nt表型。LRP6分別由一個細胞外配體結合域、跨膜域和胞質(zhì)域構成。配體結合域的主要作用是調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)的活性，分子末端一旦被激活，就會觸發(fā)下游細胞內(nèi)的信號發(fā)生反應。

更加有趣的是，若不是很高的水平的表達，單獨的LRP6c不能激活Wnt獨立的b-連環(huán)蛋白信號。與預測結果一致，該團隊發(fā)現(xiàn)，被標記的LRP6c在廣泛使用的Wnt中沒有引起可檢測活性。相比之下，膜錨定形式顯示出顯著更高的活性，這表明LRP6c可能是開發(fā)光遺傳學工具以通過細胞質(zhì)膜易位策略控制Wnt途徑的理想載體。

LRP6系統(tǒng)的優(yōu)化原理圖

楊凱表示：“在非洲爪蟾胚胎發(fā)育的過程中，Wnt可以調(diào)節(jié)大腦、脊髓和眼睛等器官的發(fā)育，并且在成年物種很多組織中貯存干細胞，Wnt信號雖不會導致組織修復失敗，但其信號的加強可能引發(fā)癌癥。”

由于癌癥一般會涉及到較多的Wnt信號通路，該團隊提出一種新的研究思路，通過帶有顏色的光信號刺激分子來研究活細胞的癌癥進展，結合活細胞成像，能夠定量確定信號閾值，從而將正常細胞轉(zhuǎn)化為癌細胞，為將來醫(yī)學領域應用提供數(shù)據(jù)方面的幫助。

該團隊希望，他們的研發(fā)系統(tǒng)可以適用于不同的脊椎動物細胞和組織，尤其是Wnt通路及其內(nèi)部組成結構，如LRP6。此外，同樣未經(jīng)修飾的結構在人類腎臟細胞和非洲爪蟾胚胎中都有效力。在某種程度上，由于受藍光穿透深度的限制，該策略能否真正應用于大鼠等大型動物模型的內(nèi)部組織，還需要經(jīng)過大量的試驗進行測試。

盡管如此，轉(zhuǎn)換納米粒子和光纖導光板等技術創(chuàng)新，彌補了藍光組織外顯率的制約。另外，紅光或紅光外驅(qū)動的光基因工具可能更具優(yōu)勢。由于該團隊的結構呈模塊化，他們希望這種機械原理和主題元素可以轉(zhuǎn)移到新的科學試驗設計中，并且正在朝該方向努力。（綜合整理報道）（編輯/克珂）