光遗传学技术用于调控细胞信号通路的研究

光遗传学技术结合蛋白的遗传学表达与激光的光控和成像,可实现对细胞内特定信号通路分子的快速激活与调控,在细胞生物学的研究中具有广阔的应用前景。至今为止,越来越多的光控元件被发现,它们具备不同的结构特征及光反应特性,极大的扩展了光遗传学技术的生物医学应用。该综述将对不同种类的光控元件及其应用于活细胞中信号通路调控的研究进行总结。     

光控诱导重组系统的开发与应用

位点特异性重组系统由重组酶和特异性识别位点两部分组成,是一种强大的基因操作工具,被广泛运用于生命科学研究。已开发的诱导型重组系统以时空方式精准调控细胞和动物的基因表达,被用于基因功能研究、细胞谱系示踪和疾病治疗等领域。根据诱导重组酶时空表达方式的不同,诱导型重组系统可分为化学诱导和光控诱导两种方式。光控诱导重组系统是利用光作为诱导剂,根据光控方式和对象的不同,可进一步分为光笼和光遗传学两类。光笼诱导重组系统是利用光敏基团来控制化学诱导剂或重组酶,光诱导前它们的活性被光敏基团抑制;在特定光照射后,它们的活性被恢复,进而实现光控诱导基因重组。光遗传学诱导重组系统是通过光遗传学开关介导分割型重组酶的重新激活来诱导基因重组。其中光遗传学开关由一系列基因编码的光敏蛋白组成,包括隐花色素、VIVID蛋白、光敏色素等。这些类型丰富的光控诱导重组系统为从高时空分辨率的维度解析基因的表达和功能提供了更多的工具,以满足日益复杂的生命科学研究需求。本文主要对不同类型光控诱导重组系统的开发原理及应用进行综述,比较其优缺点,最后对未来开发更多光控重组系统进行展望,旨在为系统优化升级提供理论基础和指导。     

光遗传学技术研究进展

光遗传学技术是结合遗传学和光学对生物体特定细胞实现精确光控的新兴生物技术。自基于微生物视蛋白的光遗传学策略应用以来,光遗传学在视蛋白的开发与优化,基于病毒和重组酶的遗传学定位表达以及光学传输技术等方面都取得了显著进展。光遗传学在现代神经生物学领域应用广泛,在神经环路、行为、中枢神经系统疾病、精神疾病的机理研究中发挥着重要作用。主要介绍光遗传学技术的发展历程,重点介绍光遗传学工具的优化以及定位表达,旨在为光遗传学及相关领域的研究发展提供参考。     

光敏蛋白LOV在调控细胞信号中的研究进展

光敏蛋白是光遗传学技术中的关键工具,与经典的光敏蛋白不同,光、氧、电压结构域(lightoxygen-voltage sensing domain,LOV)光敏蛋白除本身具有生物学功能外,还能够在改造后与众多目标分子联合运用调控细胞信号进而影响细胞功能。然而,当前将LOV作为光敏开关加以运用还不普遍。现拟重点对LOV的作用机制和条件以及当前在调控细胞信号通路中的运用进行综述,为将LOV应用于精确调控细胞信号提供参考。     

光遗传学技术在调控细菌生命活动中的应用

光遗传学技术利用光作为输入信号,能够精准地调控细胞的生理功能,同时具有高度的时间和空间特异性,使得构建高度动态的调控系统成为可能.近年来,随着新型光敏蛋白的发现和光照系统的创新,基于光遗传学技术的光控系统的效率得到了显著提高.通过合成生物学方法构造各种生物回路,光控系统在细菌中的应用也日益广泛.将光控系统作为输入模块,与其他生物功能模块相结合,能够实现对基因表达、蛋白质活性以及细菌生理功能的调控.本文主要介绍光遗传学技术的基本原理及其在合成生物学和调控细菌生命活动方面的应用.     

植物的光受体及其调控机制的研究

近年来,通过对植物的分子遗传学研究,在植物光受体及其在光形态建成中对植物生长发育的调控机制方面取得了显著进展。从光受体及基因家族的概况,包括光敏色素、隐花色素、向光素的基本结构、分子特征、基因和信号转导等,介绍了光受体在光控发育调节机制方面的研究进展情况。     

利用光遗传学技术构建小鼠光控心脏起搏模型

电刺激是人工控制心脏搏动频率的标准技术,但在实验研究中,这种方法有较大的局限性,如局部电解效应、刺激频率和时长受限、只能对目标范围内的所有细胞进行刺激、不能选择性作用于心肌细胞等。基于光遗传学技术,本研究构建了心肌细胞特异性表达光激活阳离子通道channelrhodopsin-2(ChR2)的转基因小鼠,采用特定频率的蓝光刺激使心肌细胞膜电位去极化,从而引发动作电位并控制心脏起搏。当蓝光刺激频率低于小鼠自发心脏搏动频率时,蓝光刺激造成暂时性的心律失常,去除蓝光照射后小鼠心跳恢复正常;当蓝光刺激频率高于小鼠自发心跳频率时,小鼠的心脏搏动完全由蓝光刺激支配,去除蓝光照射后恢复到自发搏动状态;失去自主搏动能力的小鼠心脏也可由蓝光刺激进行起搏;不表达ChR2的对照小鼠对蓝光刺激没有响应。本研究对基于光遗传学的光控心脏起搏技术进行了实验论证,在心肌电生理学特别是心律失常研究中有着非常重要的应用价值。     

光遗传学装置在生物医学领域中的应用研究进展

光遗传学是一项整合了光学、基因操作技术、电生理等多学科交叉的具有高度时空特异性、低毒性的生物工程技术.目前已经实现了从时空上控制细胞活动并用于疾病的治疗.本文将重点介绍近些年光遗传学装置在生物医学上的应用,阐明光遗传装置用于疾病治疗的构建和机制.此外,本文还简要探讨了光控基因装置在实际临床治疗应用中的前景和挑战.     

光遗传学技术在酪氨酸受体激酶等靶向药物筛选中的应用

光遗传学的发明为神经科学领域带来重大突破,相关技术使对蛋白质功能调控、信号通路激活及动物行为的时空精确控制成为可能,为研究神经回路及信号网络提供了独特的手段。近年来,光遗传学技术与相关报告基因结合被应用到药物筛选平台。该平台利用光信号代替电生理或其他试剂(如生长因子等),激活细胞的受体激酶或离子通道,具有高通量、操作简便及低成本等特点。对光控基因工程技术作为受体酪氨酸激酶的研究手段及新的靶向药物筛选平台进行总结。     

光遗传学在细菌生产调控中的应用进展

合成生物学的发展使得人们可以根据需求对微生物进行改造,作为“工厂”高效地合成催化所需物质,并通过添加化学诱导物的方式对生命过程进行调控。然而,化学诱导的潜在毒性以及不可逆性等限制其应用。光遗传学技术利用特定波长的光信号实现对细胞生命过程的调控,具有特异性、可逆性、高时空分辨率等特点。近年来,人们对不同来源的光敏蛋白进行改造,开发出各种不同波长、不同效应的光遗传元件用于基因回路的构建,进而实现对细菌蛋白合成、代谢过程的调控。光遗传技术在人与细菌之间搭起了实时的信号沟通桥梁,实现更为精准的物质生产调控:(1)通过光控治疗因子的合成分泌进行药物递送;(2)通过代谢通路的控制提高目的产物的催化效率;(3)通过光诱导控制生物活材料的形成。随着探索的深入,更小体积、更多波长、更高效率的光遗传元件将被开发出来,实现多输入的细菌生命活动调控。     

综述: MicroRNA与细胞信号通路的相互作用

MicroRNA(miRNA),广泛存在于多种生物中,在基因表达调控的转录后水平上发挥着重要的调节作用．细胞信号通路转导外界刺激进而引发一系列生理和病理效应,决定着细胞的功能和命运．而miRNA和细胞信号通路间的相互作用对于二者的功能发挥起着关键作用,本文将从信号通路对miRNA的调控和miRNA对信号通路的调节两方面综述二者的相互作用,揭示整合miRNA的细胞信号通路及其生物学意义．     

Interleukin-6 up-regulates the expression of interleukin-15 is associated with MAPKs and PI3-K signaling pathways in the human keratinocyte cell line,HaCaT

Interleukin (IL)-15 is an important inflammatory cytokine and plays a key role in autoimmune disease. At present, IL-15 gene expression and regulation related to many innate immunity trigger signals have been clarified in some specific cell types, but the relationship of IL-6 and IL-15 in the human keratinocyte cell line (HaCaT) is unknown. In this study, we investigated the effect of IL-6 on the expression of IL-15 and selected signaling pathways in HaCaT cells. Results demonstrated that IL-6 up-regulated the expression of IL-15 both at the mRNA and protein levels. Meanwhile, IL-6 was able to activate MAPKs-ERK1/2 and PI3K-AKT signaling pathways. Furthermore, the high expression of IL-15 induced by IL-6 was down-regulated while MAPKs-ERK1/2 and PI3K-AKT signaling pathways were, respectively, blocked by PD98059 and LY294002. These findings indicate that the expression of IL-15 up-regulated by IL-6 is associated with MAPKs-ERK1/2 and PI3K-AKT signaling pathways in HaCaT cells.     

Stratification of clear cell renal cell carcinoma by signaling pathway analysis

Investigation of cell signaling pathways in 16 clear cell renal cell carcinomas to identify groups based on commonly shared phosphorylation-driven signaling networks. Using laser capture microdissection and reverse-phase protein arrays, we profiled 75 key nodes spanning signaling pathways important in tumorigenesis. Analysis revealed significantly different (P < 0.05) signaling levels for 27 nodes between two groups of samples, designated A (4 samples; high EGFR, RET, and RASGFR1 levels, converging to activate AKT/mTOR) and B (12 samples; high ERK1/2 and STAT phosphorylation). Group B was further partitioned into groups C (7 samples; elevated expression of LC3B) and D (5 samples; activation of Src and STAT). Network analysis indicated that group A was characterized by signaling pathways related to cell cycle and proliferation, and group B by pathways related to cell death and survival. Homogeneous clear cell renal cell carcinomas could be stratified into at least two major functional groups.     

Requirement of different signaling pathways mediated by insulin-like growth factor-I receptor for proliferation,invasion, and VPF/VEGF expression in a pancreatic carcinoma cell line

Several oncogenes and growth factors are found to be mutated and overexpressed in adenocarcinoma of the pancreas, and may correlate with its highly aggressive nature. Insulin-like growth factor (IGF-I) and its receptor (IGF-IR) are highly expressed in this tumor type. We examined the IGF-IR-mediated signaling pathways in relation to cell proliferation, invasiveness, and expression pattern of vascular permeability factor/vascular endothelial growth factor (VPF/VEGF) in the pancreatic cancer line ASPC-1. Our findings show that IGF-IR is an important growth factor receptor for cell proliferation and invasion, and VPF/VEGF expression in ASPC-1. Further experiments indicate that IGF-IR mediates different signaling pathways to execute its functions. Activation of Ras by IGF-IR was found to be required for the cell invasion. On the other hand Src activation through IGF-IR is required for the cell proliferation, invasion, and also VPF/VEGF expression. Taken together, our data indicate the importance of IGF-IR in growth and invasiveness of the pancreatic cancer cell lines and also point out the multiple signaling pathways channeled through this receptor.