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引言光遗传学(optogenetics)，一门结合了光学和遗传学的前沿学科，正在以其独特的方式重塑我们对细胞内过程的理解和控制。通过利用光敏蛋白，研究人员能够精确地操纵细胞内的特定分子，实现对细胞行为的精确控制。这种技术不仅为基础生物学研究提供了强有力的工具，也为临床治疗，尤其是神经科学和细胞治疗等领域，开辟了新的可能。在细胞生物学的微观世界里，单个分子的行为对细胞功能的影响至关重要。传统的生物学研究方法往往关注于大量分子的平均效应，而忽略了单分子层面的动态变化和异质性。光遗传学的出现，使得研究人员能够对单个分子进行精确的时空控制，从而揭示其在细胞内的具体作用和调控机制。然而，如何在不干扰细胞自然状态的前提下实现单分子的精确释放，仍是一个巨大的挑战。3月8日Nature Methods报道了该领域的最新进展“An optogenetic method for the controlled release of single molecules”。Highlights该研究开发了一种新的光遗传学(optogenetics)方法，用于在活细胞中控制单分子(single molecule)的释放。研究团队通过结合一种可光解的蛋白质(photocleavable protein)实现了这一目标，这种蛋白质在近紫外光(near-ultraviolet light)照射下会发生裂解，从而释放绑定的目标分子。这项技术的关键创新之处在于，它可以精确控制细胞内功能性单分子的释放，并允许研究人员在单分子水平上观察和分析蛋白质在活细胞中的行为。通过这种方法，研究人员能够在细胞质和细胞膜上进行单分子成像(single-molecule imaging)，大大简化了对任何蛋白质在活细胞中的单分子显微镜(single-molecule microscopy)研究的可及性。此外，这种技术还展示了通过控制释放的方式重构离子通道导电性(ion channel conductance)和恢复敲除细胞中的信号通路(signaling pathway)的潜力。通过释放一种在敲除细胞中缺失的关键激酶，研究者成功地重建了免疫细胞中的信号转导通路。这项研究为单分子水平上研究细胞功能提供了一个强大的新工具，并可能对未来的生物学和医学研究产生重要影响。Strategies设计和构建光解蛋白复合体(Photocleavable Protein Complex)：研究团队首先构建了一个含有光解蛋白PhoCl的复合体。PhoCl是一种在近紫外光(near-ultraviolet light)照射下可以发生裂解的绿红色光转换蛋白(photoconvertible protein)。这种裂解将切断肽链，从而释放与其相连的目标蛋白(target protein)。通过 PhoCl 蛋白进行光控制的方法，用来释放细胞中的胞浆蛋白 FGF2-GFP。这一过程通过 PhoCl 蛋白的光解活性来实现，即在近紫外光的激活下，PhoCl 蛋白被光解，导致与其连接的目标蛋白（在这个例子中是 FGF2-GFP）从细胞器（如高尔基体）释放到胞浆中。这个方法允许研究者以光剂量依赖的方式，将功能性蛋白以适合单分子成像的量传递到细胞质和质膜中，从而简化了对活细胞中任何蛋白质的单分子显微镜技术的要求。（Credit: Nature Methods）融合目标蛋白和锚定蛋白(Protein Fusion and Anchoring)：然后，研究者将目标蛋白与PhoCl融合，并进一步与位于高尔基体(Golgi apparatus)的锚定蛋白(anchoring protein)相连接。这样，目标蛋白在未经光解之前被限制在高尔基体。近紫外线照射(Near-Ultraviolet Illumination)：在实验中，研究者通过短暂的近紫外光脉冲照射细胞，触发PhoCl的裂解，导致与其融合的目标蛋白从高尔基体释放到细胞质或细胞膜。单分子成像(Single-Molecule Imaging)：释放的目标蛋白可用于单分子成像研究。研究者利用这种方法，能够在单分子水平上观察和分析蛋白质在活细胞中的行为和功能。使用 PhoCl 蛋白的光解活性来控制跨膜蛋白 CD4 的释放。研究人员构建了一个含有 mScarlet-CD4、PhoCl 和 Golgi-定位蛋白 RER 的融合构建物。这个构建物被锚定在高尔基体上。在紫外光照射下，PhoCl 蛋白发生光解，导致与其连接的 CD4 蛋白从高尔基体释放，并被运输到细胞膜上。通过使用 TIRF 显微镜技术，可以观察到单分子层面上 mScarlet-CD4 的动态。这个过程展示了如何利用 PhoCl 蛋白实现对跨膜蛋白功能和定位的光学控制，从而促进对细胞膜蛋白功能的单分子研究。（Credit: Nature Methods）功能性研究(Functional Studies)：除了观察蛋白质的行为，研究者还利用这一技术研究了蛋白质的功能，如离子通道导电性(ion channel conductance)的重建和信号通路(signaling pathways)的恢复。Behind the Scenes光遗传学释放单分子的工作原理光敏蛋白的设计和原理光遗传学技术的核心在于光敏蛋白的设计和应用，这些特殊的蛋白质能够响应特定波长的光照而发生结构上的改变，从而实现对细胞内过程的精确控制。光敏蛋白的设计灵感多源自自然界中的光感受器，如绿藻中的ChR2（通道蓝藻蛋白-2），其能够在蓝光照射下开启离子通道，控制细胞内的电位变化。光敏蛋白的种类光敏蛋白大致可以分为两类：一类是作为离子通道或泵，在光照下直接影响细胞的膜电位和内部离子浓度；另一类则通过光诱导的结构变化，激活或抑制特定的生物分子，进而影响细胞内的信号传递路径。这两种机制各有优势，选择哪一种取决于研究目的和对象。设计原理光敏蛋白的设计通常基于自然界中存在的光感受蛋白。通过基因工程技术，研究人员对这些天然蛋白进行改造，以适应特定的实验需求。例如，通过改变光敏蛋白的氨基酸序列，可以调整其对光的敏感波长，从而实现对光信号的精确控制。光敏蛋白的设计要考虑多个因素，包括光敏蛋白对光的敏感度、激活和关闭的速度、以及是否易于被细胞表达和容纳。此外，为了实现更精细的控制，研究人员还在不断开发新的光敏蛋白变体，以适应不同波长的光照和不同类型的细胞。在实际应用中，光敏蛋白通常通过遗传工程的方式引入目标细胞，与特定的生物分子融合，形成一个能够响应光照的融合蛋白。当受到特定波长的光照射时，融合蛋白发生构象变化，激活或释放与之结合的生物分子，从而实现对细胞功能的调控。短脉冲光源的作用机制在光遗传学领域，短脉冲光源的应用是实现精确控制单分子释放的关键技术之一。短脉冲光源短脉冲光源指的是能够产生极短时间持续的光脉冲的光源，其持续时间通常在皮秒（10^-12秒）到飞秒（10^-15秒）范围内。这种短暂而强烈的光照能够精确地激活目标光敏蛋白，而不对细胞造成热损伤或其他不利影响。激活机制当短脉冲光照射到光敏蛋白上时，光能被吸收，引发光敏蛋白的构象变化。这一变化触发了蛋白质内部的一系列生物化学反应，最终导致与其结合的目标分子的释放。这一过程的精确性和快速性是通过控制光脉冲的持续时间、强度和波长来实现的。光脉冲参数的调控持续时间：短脉冲的持续时间直接影响光敏蛋白的激活效率，过短可能无法有效激活，过长则可能引起非特异性激活或细胞损伤。强度：光脉冲的强度需精确控制，确保足够的能量达到光敏蛋白，实现有效激活。波长：选择适合光敏蛋白吸收特性的光脉冲波长是实现特异性激活的关键。短脉冲光源在光遗传学中的应用，极大地拓宽了单分子研究的可能性。通过精细调控光脉冲参数，研究人员能够在空间和时间上精确控制单分子的行为，从而深入理解其在细胞生命活动中的作用。高尔基体的特殊作用在细胞生物学中，高尔基体是细胞内重要的器官之一，负责蛋白质的修饰、排序和运输。在光遗传学释放单分子的过程中，高尔基体发挥着不可或缺的作用，成为实现精确控制单分子释放的关键环节。高尔基体的基本功能高尔基体由一系列平行排列的膜囊组成，它不仅是细胞内蛋白质加工的车间，也是蛋白质分泌的中转站。在光遗传学应用中，研究人员利用高尔基体的这些天然功能，为单分子的定位和释放提供了理想的平台。在光遗传学中的应用通过将光敏蛋白和目标分子共同定位到高尔基体，可以实现对目标分子的严格控制。当受到特定波长光照的激活后，光敏蛋白引发的结构变化能够触发目标分子从高尔基体释放到细胞内其他位置，或是分泌到细胞外。这一过程的精确度极高，几乎不受其他细胞内过程的干扰。特殊作用的机制定位精确性：高尔基体的特殊结构为光敏蛋白和目标分子提供了独特的微环境，有助于提高定位的精确性。释放控制：光敏蛋白在高尔基体的激活可以通过细胞内信号传递路径精确控制，从而实现对目标分子释放时间和位置的精确控制。功能多样性：高尔基体内的不同区域具有不同的生化环境，可以根据目标分子的特性选择最适合的区域进行定位和释放。高尔基体在光遗传学释放单分子中的特殊作用，不仅为单分子研究提供了新的方法，也为细胞内物质运输和分泌机制的研究开辟了新的路径。随着对高尔基体功能的深入了解和光遗传学技术的不断发展，未来将有望在更多生物医学领域中发挥重要作用。单分子成像技术的创新应用单分子成像技术是一种能够观察和分析生物分子在单分子水平上行为的先进技术，为研究人员提供了研究细胞内复杂过程的新视角。该技术通过高灵敏度的光学设备和精细的实验方法，捕捉到单个分子的动态变化，揭示了许多传统宏观实验无法观察到的生物现象。光学系统的关键组件高性能显微镜：具有高分辨率和高信噪比的显微镜是实现单分子成像的基础设备，能够精确捕捉到单个分子的图像。激光光源：用于提供稳定且具有特定波长的光照，激发标记在目标分子上的荧光标签。高灵敏度探测器：如雪崩光电二极管（APD）或电子放大CCD相机，用于检测极低强度的荧光信号。荧光标记的作用在单分子成像技术中，荧光标记的选择至关重要。研究人员通常将荧光分子或荧光蛋白质标记到研究的目标分子上。当这些标记分子被激光激发后，会发出荧光，从而使目标分子在显微镜下可见。成像技术的类型荧光相关光谱（FCS）：通过分析荧光强度随时间变化的关联函数，了解分子的扩散行为和浓度。光学镊子：利用激光束捕获和操纵微小物体，用于研究单个分子的力学性质。单分子荧光共振能量转移（smFRET）：通过测量两个荧光分子间能量转移的效率，研究分子间的距离和相互作用。数据分析与解释单分子成像产生的数据量庞大且复杂，需要运用高级的图像处理软件和统计方法进行分析。通过这些分析，研究人员能够从单个分子的行为中提取出有关分子动态、相互作用和功能的重要信息。光遗传学方法在单分子成像中的应用光遗传学方法在单分子成像领域的应用，标志着生物医学研究进入了一个崭新的时代。通过精确控制光敏蛋白的活性，研究人员能够在单分子水平上观察和操纵生物分子的行为，从而深入理解细胞内复杂的生命过程。光遗传学与单分子成像的结合目标分子的精确操控：通过将光敏蛋白与特定的目标分子相结合，光遗传学技术能够实现对这些分子在细胞内位置和时间的精确控制。高时空分辨率的观察：利用短脉冲光源激活光敏蛋白，研究人员可以在极短的时间尺度内观察分子的动态变化，提供高于传统显微镜技术的时空分辨率。应用单分子追踪：通过光遗传学技术，研究人员能够标记并追踪单个蛋白质或RNA分子在细胞内的移动路径，揭示其在细胞生命活动中的作用。细胞信号传递研究：通过控制特定信号分子的释放，光遗传学方法可以用于研究细胞内的信号传递过程，如神经递质的释放和受体的激活。细胞间相互作用：利用光遗传学操纵单个分子的行为，研究人员可以研究细胞间的相互作用，如免疫细胞识别和肿瘤细胞侵袭的机制。实验中一般会遇到的挑战和解决方案单分子成像技术在光遗传学中的应用虽然为生物学研究提供了前所未有的细致视角，但在实验过程中也面临了不少挑战。挑战一：荧光标记的稳定性在单分子成像实验中，荧光标记的稳定性是一个常见的问题。荧光分子可能会因光照而光解或猝灭，导致信号的丢失。解决方案：-使用光稳定性更好的荧光分子或荧光蛋白。-优化光照条件，如降低激光强度、缩短照射时间。-应用荧光恢复技术，如光漂白后的荧光恢复。挑战二：背景噪音的干扰单分子成像需要极高的信噪比，而细胞内杂质和其他荧光物质的存在常常造成背景噪音，影响观察精度。解决方案：-提高显微镜的空间分辨率，采用超分辨显微技术。-使用更为特异的荧光标记，减少非特异性结合。-应用先进的图像处理软件，通过算法减少背景噪音。挑战三：样本制备的困难要保持单个分子在自然状态下的活性和功能，同时使其能够被显微镜准确捕捉，是一项极具挑战的任务。解决方案：-优化样本制备流程，减少对分子活性的影响。-开发新型的生物相容性载体，以更好地支持和保护样本。-利用活细胞成像技术，减少样本制备对细胞状态的干扰。挑战四：数据量巨大的处理与分析单分子成像技术产生的数据量庞大，且数据的处理和分析十分复杂，给研究者带来了巨大的挑战。解决方案：-开发更为强大和高效的数据处理软件，提高数据处理的自动化和智能化水平。-采用云计算和大数据技术，提高数据处理和存储的能力。-引入机器学习和人工智能技术，提升数据分析的准确性和效率。光遗传学方法在细胞功能重建中的应用BK和LRRC8离子通道的重建在细胞生理学中，BK和LRRC8离子通道扮演着至关重要的角色，它们参与调节细胞的电位平衡、体积控制以及信号传递等多个重要生理过程。通过光遗传学技术，研究人员现在能够在分子层面上重建这些关键的离子通道，从而为疾病治疗和生命科学研究开辟了新的道路。BK离子通道的重要性电生理功能：BK离子通道是一种大导电的钾通道，能够响应细胞内钙离子浓度的变化及膜电位的变化，从而调节神经元的兴奋性和肌肉细胞的收缩。疾病关联性：BK通道的异常与多种疾病如高血压、哮喘和肌肉疾病等有密切联系。LRRC8离子通道的作用细胞体积调节：LRRC8通道是一种体积调节阴离子通道（VRAC），在细胞遇到渗透压变化时开放，参与细胞体积的调节。参与细胞信号传递：LRRC8通道还与细胞内信号传递相关，包括细胞凋亡和细胞增殖等过程。光遗传学技术在离子通道重建中的应用基因编码的光敏蛋白：研究人员利用基因编辑技术，将光敏蛋白与BK或LRRC8离子通道蛋白融合，通过光照控制其活性，实现离子通道的开关。精确的时空控制：通过调节光照的强度、持续时间和作用位置，光遗传学技术能够在极其精确的水平上模拟离子通道的自然调控机制。功能重建与验证：重建后的离子通道能够在体外细胞模型中进行功能性验证，甚至在特定条件下应用于体内模型，为疾病治疗提供新策略。通过光遗传学方法释放BK通道的结果。BK通道是一种电压门控和钙感应的钾通道，由四个相同的亚基组装而成。在这项研究中，研究人员通过将BK通道的编码序列通过PhoCl与TMEM115融合，实现了将其定位于高尔基体。随后，他们使用405纳米光进行短脉冲照射，观察到表面传递的BK通道可以通过添加到培养基中的AF647偶联抗体在TIRF显微镜下检测到。相比之下，未经405纳米照明的相同细胞中未检测到这些通道。与此一致的是，电生理测量表明，与对照细胞相比，解封后的细胞出现了明显增加的BK通道特征电流，但也观察到对照细胞中存在基础电流，表明存在轻微泄漏。因此，这项研究展示了一种控制释放功能性离子通道和跨膜多亚基蛋白的系统。（Credit: Nature Methods）通过光遗传学方法控制释放体积调节阴离子通道(Volume-Regulated Anion Channels, VRACs)。这些通道通常在细胞体积变化时激活，调节细胞内外的离子平衡。在这项研究中，研究人员使用光遗传学工具控制特定蛋白质的释放，进而实现对VRACs活动的精确控制，从而研究它们在细胞功能中的作用。（Credit: Nature Methods）NF-kB信号通路的激活NF-kB信号通路在细胞生存、免疫应答和炎症反应中发挥着至关重要的作用。光遗传学技术的发展为NF-kB信号通路的精确激活提供了新的策略，从而为研究其在疾病中的角色和开发新的治疗方法提供了有力工具。NF-kB信号通路的生物学重要性调节机制：NF-kB是一类能够响应多种刺激的转录因子，通过调节下游基因的表达，参与细胞生长、分化、凋亡和免疫反应等多个过程。疾病相关性：NF-kB信号通路的异常激活与多种疾病的发生发展密切相关，包括炎症性疾病、自身免疫疾病、心血管疾病以及癌症等。光遗传学技术的应用精准激活：通过将光敏蛋白与NF-kB信号通路的关键分子相结合，利用光照控制其活性，实现对NF-kB信号通路的精确激活。时空调控：光遗传学技术能够在特定时间和特定细胞内激活NF-kB信号通路，为研究其在细胞功能中的作用提供了强大工具。动态观察：利用实时成像技术，研究人员能够观察NF-kB信号通路的激活过程和动态变化，揭示其调控机制。使用光遗传学方法在敲除细胞中重新构建白细胞介素-1受体(IL-1R)信号传导通路。这一过程中，研究人员通过光遗传学技术控制特定效应蛋白的释放，来补偿因基因敲除而失去的信号分子，从而恢复IL-1R信号传导通路的功能。这种方法能够在单个细胞水平上定量地研究信号通路的组成和动态变化，对于深入理解细胞信号传导机制具有重要意义。（Credit: Nature Methods）方法的潜在限制和未来的改进方向光遗传学技术在细胞功能重建方面的应用虽然展现出巨大的潜力，但仍面临一些技术和应用上的限制。方法的潜在限制光穿透深度：光遗传学操作通常需要外部光源激活，但光在生物组织中的穿透能力有限，这在体内应用时尤为显著。细胞毒性：长时间或高强度的光照可能对细胞产生毒性，影响细胞的生存和功能。表达水平的控制：光敏蛋白在细胞中的表达水平需要精确控制，过低的表达水平可能导致信号弱，而过高则可能产生非特异性效应。响应速度：目前的光敏蛋白激活和关闭的动态范围与自然生物过程相比仍有差距，限制了其模拟细胞内复杂动态过程的能力。未来的改进方向深部组织光照技术：开发新型光照技术，如近红外光激活或双光子光遗传学，提高光在深部组织中的穿透能力。减少细胞毒性：通过优化光照参数和光敏蛋白设计，降低光照对细胞的毒性，保证细胞功能的完整性。动态调控表达系统：利用智能化的基因表达系统，实现对光敏蛋白表达水平的实时调控，以适应不同的实验和治疗需求。快速响应光敏蛋白的开发：设计和筛选新型光敏蛋白，具有更快的响应速度和更高的动态范围，以更精确地模拟细胞内的生物过程。多模态光遗传学工具：结合多种光遗传学工具和信号途径，实现对细胞功能的多层次、多维度调控。光遗传学释放单分子方法的未来展望该方法在生物医学研究中的潜力光遗传学释放单分子方法作为一种前沿的生物技术，其在生物医学研究领域内的潜力不容小觑。该技术通过精确控制单个分子的行为，为揭示细胞内复杂生物过程提供了强有力的工具。促进疾病机制的理解精确操控单分子：利用光遗传学技术，研究人员可以在特定时间和空间内精确操控单分子，从而深入研究分子在疾病发生发展中的作用。揭示病理过程：通过观察和分析光遗传学操控下的分子动态变化，可以揭示许多疾病的病理过程，如肿瘤发展、神经退行性疾病及免疫相关疾病等。推动新药物的开发靶点验证：该技术能够精确调控特定分子的活性，为药物靶点的验证提供了方便快捷的途径。药效评估：在光遗传学的帮助下，可以实时观察药物对单个分子的影响，评估药物的作用效果和机制。改善细胞治疗策略细胞功能调控：通过光遗传学技术，可以精确调控细胞内关键分子的活性，为细胞治疗提供了更为精准的策略。提高治疗效率：利用该技术可以在细胞移植前对细胞进行预编程，增强其在治疗中的功能表现，提高治疗效率。促进个性化医疗的发展个性化治疗：光遗传学释放单分子方法能够针对个体差异进行精确调控，为实现个性化医疗提供了可能。早期干预：通过该技术，可以在疾病早期通过调控特定分子来进行干预，防止疾病的进一步发展。可能的技术创新和应用领域随着光遗传学技术的快速发展，其在多个领域的应用前景日益广阔。未来的技术创新和应用领域不仅将推动科学研究的深入，也将为临床医学、药物开发以及生物制造等行业带来革命性的变革。技术创新的方向高精度光控系统：开发更为精确的光照控制系统，实现对单分子活动的细致调控，提高实验的精确度和重复性。多色光遗传学：通过引入多色光敏蛋白，实现对多个生物分子的同时控制，拓展光遗传学的应用范围。微纳光电集成：结合微纳技术和光电子技术，发展便携式或可植入式的光遗传学设备，为实验和治疗提供更多可能。应用领域的拓展精准医疗：光遗传学技术能够实现对特定细胞或组织的精确调控，为个性化治疗提供了新的策略，特别是在癌症治疗、神经系统疾病等领域。神经科学研究：利用光遗传学技术精确操控神经细胞的活动，为研究神经网络的功能、学习记忆机制以及神经退行性疾病提供了强大工具。合成生物学：在合成生物学中应用光遗传学技术，控制合成生物系统中的基因表达，推动生物制造和生物能源的发展。药物筛选：利用光遗传学进行高通量药物筛选，快速评估药物对目标分子的作用效果，加速新药的开发流程。Q&A什么是光遗传学释放单分子方法？光遗传学释放单分子方法是一种创新的科学技术，它结合了光遗传学和单分子研究的优势，通过光信号精确操控和观察生物分子。该技术利用特定波长的光来激活细胞内的光敏蛋白，从而实现对单个分子的精准释放和控制。如何使用光遗传学方法进行单分子成像？-制备光敏标记分子：首先，需要将目标分子与光敏蛋白结合，形成可响应光激活的复合体。-选择适宜的光源：根据光敏蛋白的特性选择合适的光源，如激光，以激活光敏蛋白。-实施精准照射：使用光源对标记的分子进行定向照射，控制其在细胞内的释放和活动。-高分辨率成像：通过高级成像技术，如共聚焦显微镜或荧光显微镜，捕捉单分子的行为和位置。光遗传学释放单分子方法在细胞功能研究中有哪些应用？-细胞内信号传递研究：解析细胞内复杂的信号网络和分子互作。-生物分子动力学观察：在单分子层面上，直观观察分子如何在细胞内移动和相互作用。-病理机制探索：研究特定分子在疾病发生过程中的作用，有助于揭示疾病机制。该方法在临床应用中有何潜力？-疾病诊断和治疗：光遗传学释放单分子方法在早期诊断和精准治疗方面显示出巨大潜力，特别是在神经科学和肿瘤学领域。-药物开发：为药物的靶点发现和作用机制研究提供了新的途径，促进个性化医疗的发展。-再生医学：在组织工程和细胞疗法等领域，精准控制分子的活动，为组织修复和再生提供了新的策略。参考文献https://www.nature.com/articles/s41592-024-02204-xKashyap P, Bertelli S, Cao F, et al. An optogenetic method for the controlled release of single molecules. Nat Methods. Published online March 8, 2024. doi:10.1038/s41592-024-02204-x责编|探索君排版|探索君转载请注明来源于【生物探索】End往期精选围观一文读透细胞死亡(Cell Death) | 24年Cell重磅综述（长文收藏版）热文Nature | 破除传统：为何我们需要重新思考肿瘤的命名方式热文Nature | 2024年值得关注的七项技术热文Nature | 自身免疫性疾病能被治愈吗？科学家们终于看到了希望热文CRISPR技术进化史 | 24年Cell 综述

中医里讲究顺应“四时四季养生”，意思是人体需要根据不同季节的特点，调整饮食习惯，以适应气候变化和身体的需求。而且随着不同季节的更替，我们的饮食习惯和能量消耗也是不一样的，那么，到底为什么会有这些变化，科学又如何解释呢？近日，有研究者对此进行了探索，发现光周期对能量代谢的影响部分是由于食物摄入模式的差异所导致的，这项研究也是同类研究中首次分析光照时间对于小鼠机体代谢影响的一项研究。相关研究成果“Seasonal light hours modulate peripheral clocks and energy metabolism in mice”于2023年10月3号发表在Cell Metbolism上。研究揭示与饲养在夏季光周期（LL）的小鼠相比，饲养在冬季光周期（SL）的小鼠脂质代谢增加，脂肪和甘油三酯的含量降低。并发现在季节更迭过程中经历的日照时间的不同，可通过调节进食时间来影响能量代谢。https://doi.org/10.1016/j.cmet.2023.08.005 研究人员将小鼠随机喂食低脂饮食（LFD，10%脂肪）或高脂饮食（HFD，45%脂肪），并随机分配到三个不同光周期（SL 6L:18D，EL 12L:12D或LL 18L:6D）饲养13周。发现SL（冬日光）饲养的小鼠体重增加较为缓慢，体内脂肪减少，肝脏中甘油三酯含量较低，骨骼肌中甘油三酯含量、胰岛素和瘦素水平未受到光照长短的影响。https://doi.org/10.1016/j.cmet.2023.08.005为了探索光照周期对脂肪的影响，研究人员研究了小鼠在昼夜循环中体内的代谢产物。发现与SL小鼠相比，饲养在LL光周期的小鼠在每日能量摄入和呼吸交换比（RER）方面变化幅度不大，并且总体RER较低。SL和LL小鼠之间葡萄糖和胰岛素的循环水平没有差异。然而，与LL小鼠相比，HFD喂养的SL小鼠的血浆非酯化脂肪酸（NEFAs）水平显示出更高的节律性。这些数据表明，不同季节的光照能够调节小鼠体内能量代谢物的储存和释放。https://doi.org/10.1016/j.cmet.2023.08.005接下来，研究人员探讨了光周期如何调节肝脏中节律基因的表达。在不同光周期时，SL导致的节律基因转录本存在的差异值与LL多，却比EL少，说明LL和EL光周期导致节律基因转录本产生的差异较小。接下来，研究人员比较了SL和LL光周期时表达存在差异的基因，发现在LL光周期中参与脂肪生成的基因量表达较高，在SL光周期中参与禁食的基因量表达较高。为了确定光周期之间节律性的转录差异是否可以转化为蛋白质丰度，研究人员研究了Thrsp，发现其在SL和LL光周期中的表达存在巨大差异。总之，这些数据表明光周期改变了参与肝脏能量代谢的转录组的节律性。光周期的主要影响之一是对进食时间的影响。因此，他们接下来研究了不同光周期引起的生理差异是否是由于食物摄入的时间的影响。研究人员将小鼠分别喂食LFD或HFD，并在SL或LL光周期下饲养8周。然后将小鼠转移到间接量热系统中，其中给它们随意提供8天食物，然后进行6小时限时喂养（TRF）。研究发现，在不同光周期饲养的小鼠之间的许多代谢差异（RER，血浆NEFA，肝糖原，肝脏甘油三酯含量）是由于食物摄入时间的不同引起的。然而，饲养在SL光周期的小鼠体重和脂肪量的减少可能是由于在这期间新陈代谢的增加引起的。为了确定褪黑激素的存在是否会改变光周期对新陈代谢的影响。研究人员将HFD喂养的分泌褪黑激素的C3H / He小鼠在SL或LL光周期下饲养8周，并研究其新陈代谢和昼夜节律。发现与LL小鼠相比，SL小鼠的体重和脂肪减少在能量摄入方面更具有节律性SL与LL小鼠的RER均有增加，并且饲养在SL光周期的C3H小鼠的RER几乎没有节律性。与LL小鼠相比，SL小鼠的血浆NEFA水平提高，而血糖不受光周期的影响。与C57BL / 6N小鼠相比，SL的C3H小鼠与LL相比其肝脏中甘油三酯的含量没有明显变化。这些结果表明，光周期对体重增加，脂肪量，新陈代谢和RER的影响不受褪黑素的影响。然而，光周期对肝脏代谢节律性和肝脏脂肪含量的影响可能与褪黑素有关。https://doi.org/10.1016/j.cmet.2023.08.005 总之，光周期可以通过影响进食时间影响体内新陈代谢，并且与褪黑激素无关。尽管光周期的不同引起的代谢变化的影响较小，但较长时间暴露在长光周期内其新陈代谢或肝脏甘油三酯含量可能会受到影响。由于人造光的影响，大多数人生活在长光周期中，所以这对我们本身的新陈代谢也会带来一定的影响。研究者认为，对人类进一步的研究表明，改变机体在夜间接触的人造光或在一年中接触自然光的时间或许能用来改善机体的代谢健康。参考文献：Small, L., Lundell, L. S., Iversen, J., Ehrlich, A. M., Dall, M., Basse, A. L., ... & Zierath, J. R. (2023). Seasonal light hours modulate peripheral clocks and energy metabolism in mice. Cell Metabolism, 35(10), 1722-1735.撰文 | Shmily编辑 | 蓁蓁精彩推荐：1、重磅！Nature公布人源化猪供体器官移植的临床前数据，异种移植后最长可存活超2年2、恋爱选择相似or互补的人？Nature子刊研究近8万对情侣发现，相似度80%以上的人更容易成为伴侣3、发酵食品有奇效！Nature Reviews：发酵食品可改善肠道微生物群，保持心血管健康等诸多益处！4、吃的少活得久？Aging Cell：减少约12%卡路里摄入或是控制体重、增强肌肉和寿命延长的关键！5、痴呆能“转移”？最新报道：首次证实阿尔茨海默病症状可通过肠道微生物群转移到健康生物体！本文仅用于学术分享，转载请注明出处。若有侵权，请联系微信：bioonSir 删除或修改！

2023年5月份即将结束，5月份Cell期刊又有哪些亮点研究值得学习呢？小编对此进行了整理，与各位分享。 2023年5月份即将结束，5月份Cell期刊又有哪些亮点研究值得学习呢？小编对此进行了整理，与各位分享。 1.Cell：成功解析Spns2转运体的低温电镜结构，为药物开发铺平了道路doi:10.1016/j.cell.2023.04.028在一项新的研究中，来自美国圣犹达儿童研究医院和德克萨斯大学西南医学中心的科研究人员研究了一种参与癌症和免疫的转运体的结构和功能。他们捕获了该转运体的六种结构，包括它与抑制剂结合时的结构，为了解它的工作方式提供了前所未有的见解。这一发现对药物开发有影响。相关研究结果于2023年5月23日在线发表在Cell期刊上，论文标题为“Structural and functional insights into Spns2-mediated transport of sphingosine-1-phosphate”。 图片来自Cell, 2023, doi:10.1016/j.cell.2023.04.028。 这些作者获得了Spns2的六种低温电镜（cryo-EM）结构，包括两种与功能相关的中间构象（形状），它们连接着向内（细胞内）和向外（细胞外）的状态。这些发现揭示了S1P转运周期的结构基础。论文共同通讯作者、圣犹达儿童研究医院结构生物学系的Chia-Hsueh Lee博士说，“我们希望我们的结构信息将为将来开发的改进的、更具特异性的靶向Spns2的小分子铺平道路。我认为在治疗上抑制Spns2转运体有巨大的潜力。”论文共同第一作者、圣犹达儿童研究医院结构生物学系的Shahbaz Ahmed博士说，“我们使用低温电镜来捕捉这种转运体的结构，并发现它如何将S1P转移到细胞外。我们还研究了一种抑制剂,并提供了结构数据,说明它如何结合这种转运体并阻断它的活性。”这些作者研究了Spns2如何与抑制剂16d结合，16d是一种特殊的小分子，已经显示出极少的脱靶效应。他们发现，16d通过将Spns2锁定在向内状态来阻断它的转运活性。这项研究有助于开发先进的Spns2抑制剂。 2.Cell：蝙蝠蛋白ASC2强效抑制炎性体的能力有望开发对抗人类炎症性疾病的新策略doi:10.1016/j.cell.2023.03.036在一项新的研究中，来自杜克-新加坡国立大学医学院的研究人员通过研究蝙蝠在没有明显疾病的情况下容纳病毒的不寻常能力，发现了一种可能开启对抗人类炎症性疾病的新策略的蛋白。相关研究结果发表在2023年5月11日的Cell期刊上，论文标题为“Bat ASC2 suppresses inflammasomes and ameliorates inflammatory diseases”。这项新的研究着重关注称为炎性体（inflammasome）的多蛋白复合物，这类蛋白复合物这种复合物负责过度活跃的炎症，从而导致许多疾病中的严重症状。炎性体也与衰老过程中的功能衰退有关。这些作者发现一种名为ASC2的蝙蝠蛋白具有抑制炎性体的强大能力，从而限制了炎症的发生。论文共同第一作者兼论文共同通讯作者Matae Ahn博士解释说，“这表明ASC2的高水平活性是蝙蝠控制炎症的一个关键机制，对它们的长寿命和作为病毒储存库的独特地位有影响。”论文共同第一作者、杜克-新加坡国立大学医学院博士生Vivian Chen强调，这些作者能够通过展示这种蝙蝠蛋白在小鼠身上的有效性来证明它在人类身上的潜力。她阐述说，“在经过基因改造的小鼠中表达这种蝙蝠蛋白可以抑制炎症，并减少由多种诱因（包括病毒）驱动的疾病的严重性。”对ASC2蛋白的详细研究发现这种蝙蝠蛋白分子中的四个氨基酸是使它比其相应的人类蛋白更有效地抑制炎症的关键。这为开发能够模拟这种蝙蝠蛋白的抗炎作用的药物提供了宝贵的见解。 3.Cell：揭示RNA聚合酶驱动核糖核苷酸切除修复机制doi:10.1016/j.cell.2023.04.029在一项新的研究中，来自美国纽约大学朗格尼健康中心的研究人员描述了一种DNA修复途径背后的分子机制，该修复途径能够对抗将某种类型的核糖核苷酸错误地整入遗传密码。这种错误在细菌和其他有机体的遗传代码复制过程中经常发生。相关研究结果于2023年5月16日在线发表在Cell期刊上，论文标题为“RNA polymerase drives ribonucleotide excision DNA repair in E. coli”。 图片来自Cell, 2023, doi:10.1016/j.cell.2023.04.029。 鉴于核糖核苷酸的错误整入会导致有害的DNA代码变化（突变）和DNA断裂，所有有机体都进化出了一种叫做核糖核苷酸切除修复（ribonucleotide excision repair, RER）的DNA修复途径，可以快速修复此类错误。如今，这项新的研究提供了第一个证据，表明像在NER途径中一样，RER与转录紧密相连。这些作者发现证据表明，参与RER的关键酶RNaseHII也与RNA聚合酶合作，因为它在活的细菌细胞的DNA链中扫描错误整入的核糖核苷酸。Nudler说，“我们的结果继续激励人们重新思考DNA修复领域的某些基本原则。在未来，我们的团队计划研究RNA聚合酶是否扫描DNA中出现的一系列问题，并在全基因组范围内触发修复，不仅在细菌中是如此，而且在人类细胞中也是如此。”论文第一作者、Nudler实验室博士后学者Zhitai Hao说，“这项新的研究支持一种模型，即RNaseHII在沿着DNA移动时骑在RNA聚合酶上扫描DNA上错误整入的核糖核苷酸。这项研究对于我们对DNA修复过程的基本了解至关重要，并具有深远的临床意义。” 4.Cell：诱导R环形成有望治疗脆性X综合征doi:10.1016/j.cell.2023.04.035脆性X综合征（fragile X syndrome）是导致自闭症谱系障碍的一个主要原因。这种疾病的特征为FMR1基因的DNA序列中某些核苷酸的遗传性重复。在一项新的研究中，来自美国麻省总医院的研究人员发现了一种治疗脆性X综合征的潜在方法。相关研究结果于2023年5月19日在线发表在Cell期刊上，论文标题为“Site-specific R-loops induce CGG repeat contraction and fragile X gene reactivation”。论文通讯作者、麻省总医院分子生物学家Jeannie T. Lee博士解释说，“我们想知道是否可以通过减少FMR1中的三核苷酸重复序列并恢复FMRP表达来治疗脆性X综合征。当业界正试图通过基因疗法和基因编辑来恢复FMRP的表达时，我们的方法是减少CGG重复，通过刺激人体自身的DNA修复机制来恢复这种蛋白的表达。”通过构建脆性X综合征患者细胞衍生性的模型，并将这些模型暴露在不同的实验室条件下，Lee和论文第一作者、麻省总医院博士后学者Hun-Goo Lee博士发现了诱发强烈的三核苷酸重复序列减少和完全的FMR1重新激活的条件。这种条件需要有称为MEK和BRAF的两种激酶的抑制剂存在。抑制两种激酶会导致DNA和RNA之间形成的称为“R环（R-loop）”的特殊核酸结构的产生，细胞将这种结构视为DNA损伤，并因此触发修复机制来进行修复。细胞的修复机制随后切除扩张的CGG重复序列，以达到正常的CGG水平，使细胞能够重新表达关键的FMR1基因。 5.Cell：成功解析出Commander蛋白复合物的三维结构doi:10.1016/j.cell.2023.04.003在一项新的研究中，来自澳大利亚昆士兰大学和英国布里斯托大学的研究人员利用人工智能建立了称为Commander蛋白复合物（Commander complex）的关键细胞成分的三维图谱，以更好地了解痴呆症和包括COVID-19在内的传染病。相关研究结果发表在2023年5月11日的Cell期刊上，论文标题为“Structure of the endosomal Commander complex linked to Ritscher-Schinzel syndrome”。论文通讯作者为昆士兰大学分子生物科学研究所的Brett Collins教授和布里斯托大学的Pete Cullen教授。 图片来自Cell, 2023, doi:10.1016/j.cell.2023.04.003。 Commander复合物由16个亚基组成，在细胞中充当“邮递员”的作用。Collins教授说，“正如邮政系统有运输和分拣货物的过程一样，我们体内的细胞有运输和分拣蛋白的分子机器。货物运输就是要在正确的时间将正确的包裹送到正确的目的地，而在细胞中，Commander复合物控制着这个系统，以确保正确数量的蛋白被运输到正确的地方。”这种蛋白运输系统牵涉到许多疾病，包括心脏病、阿尔茨海默病和感染。Collins教授说，“了解这些蛋白的三维形状有助于我们了解它们是如何运作的，为什么它们发生突变会导致疾病，以及未来如何设计药物来靶向它们。导致导致COVID-19的冠状病毒SARS-CoV-2和可导致癌症的类乳头瘤病毒（HPV）需要Commander复合物来感染细胞，而且它与阿尔茨海默病中淀粉样蛋白的运输有关。Commander复合物发生的突变破坏了进入细胞的脂质运输，导致高胆固醇和患有罕见的Ritscher-Schinzel综合征（Ritscher-Schinzel syndrome）的人的心脏缺陷，综合征的特点是智力障碍和发育迟缓。了解Commander复合物的结构意味着我们可以更好地了解这种情形是如何发生的，并推进我们对它如何参与疾病的理解。” 6.Cell：成功构建出可以研究人类小胶质细胞的发育和功能的类器官模型doi:10.1016/j.cell.2023.04.022小胶质细胞位于人类免疫系统和大脑的交汇处，是一种专门的大脑免疫细胞，在发育和疾病中发挥着至关重要的作用。尽管小胶质细胞的重要性是无可争议的，但对它们进行建模和研究仍然是一项艰巨的任务。与一些可以在体外或非人类模型中研究的人类细胞不同，当将人类小胶质细胞从人脑环境中移除时，很难对它们进行研究。为了克服这一障碍，来自美国索尔克生物科学研究所的研究人员在一项新的研究中开发出一种类器官（organoid）模型，即一种模拟人体组织特征的三维细胞集合。该模型使得他们能够首次在人类来源的活组织中研究人类小胶质细胞的发育和功能。此外，他们研究了患有巨头畸形自闭症谱系障碍（macrocephalic autism spectrum disorder, 在这种疾病中，患儿头围大于大于97%的其他婴儿）的儿童的患者源性小胶质细胞，以确定大脑环境是否会影响更具反应性的小胶质细胞的发育。这些研究结果强调了免疫细胞和大脑相互作用的重要性，并提高了对神经退行性和发育性疾病的理解，如自闭症谱系障碍和阿尔茨海默病。相关研究结果发表在2023年5月11日的Cell期刊上，论文标题为“An in vivo neuroimmune organoid model to study human microglia phenotypes”。论文通讯作者、索尔克生物科学研究所的Fred H. Gage教授说，“在大脑环境之外，小胶质细胞几乎失去了所有的功能和意义。我们知道，如果我们找到了一种在类器官中复制人类大脑环境的方法来研究人类小胶质细胞，那么我们最终将有一种工具来研究健康和患病的大脑如何影响小胶质细胞以及健康和患病小胶质细胞如何影响大脑。”与之前的模型不同，这些作者构建了一种具有小胶质细胞和类似于人类大脑环境的人类大脑类器官，这最终使他们能够观察在整个大脑发育过程中大脑环境对小胶质细胞的影响。他们发现，一种名为SALL1的特征性蛋白早在发育11周时就出现了，用于确认小胶质细胞的身份并促进它们出现成熟时的功能。此外，他们发现大脑环境特异性因子，比如蛋白TMEM119和P2RY12，是小胶质细胞发挥功能所必需的。论文共同作者、索尔克生物科学研究所副教授Axel Nimmerjahn说，“构建一种能够有效复制人类大脑环境的人类大脑模型是非常令人兴奋的。有了这种模型，我们终于可以研究人类小胶质细胞在人类大脑环境中的功能。” 7.Cell：经改造后携带Myomaker和Myomerger的包膜病毒有望治疗杜兴氏肌肉萎缩症doi:10.1016/j.cell.2023.03.033美国辛辛那提儿童医院分子心血管生物学部门的Doug Millay博士一直致力于揭示骨骼肌发育的最基本机制。他在研究两种名为Myomaker和Myomerger的“促融剂（fusogen）”如何介导肌肉干细胞产生成熟肌肉细胞从而构建人类赖以运动、呼吸和生存的组织方面一直处于领先地位。如今，Millay及其同事们的一些基本发现正在转化为对杜兴氏肌肉萎缩症（Duchenne muscular dystrophy, DMD）患者的潜在治疗。在一项新的研究中，他们发现在小鼠身上，经基因改造后携带Myomaker和Myomerger的改良包膜病毒会导致与肌肉细胞之间的特异性融合。因此，这种改良病毒可被用作载体，递送肌肉功能所需的一个在DMD患者身上发生了突变的重要基因。相关研究结果于2023年4月18日在线发表在Cell期刊上，论文标题为“Enveloped viruses pseudotyped with mammalian myogenic cell fusogens target skeletal muscle for gene delivery”。 图片来自Cell, 2023, doi:10.1016/j.cell.2023.03.033。 在这项新的研究之前，一个关键的未知数是像Myomaker和Myomerger这样主要在细胞上发挥作用的蛋白，是否能在病毒上发挥作用。论文第一作者、辛辛那提儿童医院分子心血管生物学部门成员Sajedah Hindi博士接受了挑战，测试了这个想法。Hindi首先设计了一种将Myomaker和Myomerger放在病毒表面的策略，并发现它们在体外培养的细胞中具有功能性。她继续利用她在骨骼肌生物学方面的丰富经验，在小鼠身上测试这种新型载体的功效。Millay说，“这种改良的病毒载体似乎是一种有希望的工具，可以递送一个在DMD患者中是缺乏的基因，而且这个基因是潜在终身供应的。这种载体的独特优势提供了一个机会，对针对无数肌肉疾病的基因疗法产生重大影响。” 8.Cell：利用新型碱基编辑技术研究单核苷酸变异对人类造血干细胞的影响doi:10.1016/j.cell.2023.03.035在一项新的研究中，来自美国哈佛医学院、布罗德研究所和哈佛干细胞研究所等研究机构的研究人员使用了一种高度精确的称为碱基编辑（base editing）的基因组编辑技术，对来自患者骨髓的造血干细胞进行了数百次直接编辑。相关研究结果于2023年5月2日在线发表在Nature期刊上，论文标题为“Massively parallel base editing to map variant effects in human hematopoiesis”。这项新的研究是第一次将这种高通量的碱基编辑技术应用于造血干细胞，该技术可以同时在许多细胞中对DNA进行许多单碱基替换。这些作者展示了基因中的这些单核苷酸变化如何影响血细胞的生物学，并有助于治疗包括白血病和镰状细胞病在内的疾病。这些发现表明该技术如何能够帮助科学家们在多种细胞类型中更多地了解基因变体在疾病中的作用。论文通讯作者、布罗德研究所副研究员Vijay Sankaran说，“我们的方法使我们不仅能够了解某个特定的基因是否可能与人类疾病有关，而且能够了解该基因的个别变化如何在分子水平上发挥作用。这种更精细的分辨率为我们提供了一个关于疾病如何发生以及如何治疗的新路线图。” 9.Cell：新研究揭示β-arrestin作用机制doi:10.1016/j.cell.2023.04.018在一项新的研究中，由英国伯明翰大学的Davide Calebiro教授领导的一个国际研究小组利用先进的显微镜技术首次以前所未有的细节观察到了像空中交通管制员一样发挥作用的管理着进出人类细胞的信号流的蛋白。他们观察到这种称为β-arrestin的蛋白是如何工作的。相关研究结果于2023年5月4日在线发表在Cell期刊上，论文标题为“Plasma membrane preassociation drives β-arrestin coupling to receptors and activation”。 图片来自Cell, 2023, doi:10.1016/j.cell.2023.04.018。 β-arrestin参与控制G蛋白偶联受体（GPCR）的活性，其中GPCR是人体中最大的一组受体，介导许多激素和神经递质的作用。因此，GPCR是药物开发的主要靶标，目前所有的治疗药物中有30%至40%靶向这些受体。一旦GPCR被激活，β-arrestin就会在一种称为脱敏（desensitization）的过程中抑制这种信号传导，不过它也可以介导自己的信号。这项新的研究意外地发现β-arrestin将自己附着在细胞外膜上，等待荷激素或神经递质到达受体。令人惊讶的是，β-arrestin和活性受体之间的相互作用比以前认为的要动态得多，从而可以更好地控制受体介导的信号传导。Calebiro说，“在我们的研究中，我们使用了我们实验室开发的创新单分子显微镜和计算方法，首次以前所未有的细节观察单个β-restin分子如何在我们的细胞中工作。我们揭示了一种新的机制，解释了β-arrestin如何能够与细胞质膜上的受体有效地相互作用。这类蛋白就像空中交通管制员一样，当受体被一种激素或神经递质激活时，它们就会感知，从而调节我们细胞内的信号流。通过这样做，它们在信号脱敏中发挥了关键作用，其中信号脱敏是一种基本的生物过程，使我们的机体能够适应长时间的刺激。这些结果非常出人意料，可能为心力衰竭和糖尿病等疾病的新型治疗方法或开发更有效和更耐受的镇痛剂铺平道路。” 10.Cell：基于迷幻药伊博格碱，开发出两种可能用于治疗成瘾和抑郁症的新候选药物doi:10.1016/j.cell.2023.04.010在一项新的研究中，来自美国加州大学旧金山分校、耶鲁大学和杜克大学的研究人员根据非洲传统迷幻植物药物伊博格碱（ibogaine）的药理学原理，开发出两种可能用于治疗成瘾和抑郁症的新候选药物。在非常低的剂量下，这两种新的化合物能够减轻小鼠这两种疾病的症状。相关研究结果于2023年5月2日在线发表在Cell期刊上，论文标题为“Structure-based discovery of conformationally selective inhibitors of the serotonin transporter”。这些研究结果从伊博格碱对5-羟色胺转运体（serotonin transporter, SERT）的影响中得到启发，SERT也是氟西汀（fluoxetine, 商品名为Prozac）等SSRI抗抑郁药的作用靶标。这些作者虚拟地筛选了2亿种分子结构，以找到与伊博格碱相同方式阻断SERT的分子。论文共同通讯作者、加州大学旧金山分校药学院教授Brian Shoichet博士说，“有些人相信伊博格碱可以治疗成瘾，但它并不是一种很好的药物。它有不好的副作用，而且在美国还没有被批准使用。我们的化合物只是模拟了伊博格碱众多药理作用中的一种，而且仍然重现了它对行为最理想的影响，至少在小鼠身上是这样。”其他的论文共同通讯作者为加州大学旧金山分校的Allan Basbaum博士和Aashish Manglik博士；耶鲁大学的Gary Rudnick博士；杜克大学的Bill Wetsel博士。这些作者证实了这两种新的化合物的现实前景，它们最初是用Shoichet开发的计算对接方法鉴定出来的。这种计算对接方法涉及系统地测试与蛋白结合的虚拟化学结构，使科学家们能够确定新的药物线索，而不必在实验室中合成它们。（生物谷 Bioon.com）