近日，中科院合肥研究院强磁场中心王俊峰研究员课题组与3家国外团队（黄韵教授，韩纲教授和周育斌教授课题组）合作，基于燕麦蓝光受体蛋白LOV2进行了优化循环排列（Circular permutation）设计，获得了能够提供不同锁定界面的光控开关元件蛋白cpLOV2，进一步拓展了LOV2系列蛋白在光遗传学工程中的应用。该团队利用cpLOV2实现了钙离子通道的远程开启，CRISPR–Cas9介导的基因编辑控制，基因转录的光控重编程，癌细胞自杀的激活以及光控细胞免疫疗法来诱导肿瘤细胞体内杀伤。该工作以“Circularly permuted LOV2 as a modular photoswitch for optogenetic engineering”为题在线发表于化学生物学领域顶级科技期刊Nature Chemical Biology。

       LOV2是一种光控开关蛋白，受到蓝光激发后蛋白质C端Jα螺旋会发生解旋并与感光核心PAS结构域分离。研究者们将具有生命活动调控功能的不同蛋白质效应子（Effector）连接到LOV2的C端，利用其在黑暗下被锁定失活、光照下被释放激活的特点，来实现光遗传学对生命活动的控制。然而，效应子通常只能连接到LOV2蛋白的C端，其与光控元件相互作用锁定界面相对有限，使得整个开发过程成功率不高。因此拓展光控开关元件的选择性有助于更快、更有效地构建新型光遗传学工具。

       在本研究中，研究团队对LOV2进行了优化循环排列（Circular permutation）设计构建了cpLOV2，在保持PAS结构域不变前提下，将蛋白质的N、C两个末端转移到Jα螺旋的另一端，使得光照释放Jα螺旋的过程发生在蛋白的N端，从而拓展了效应子的可用连接方式。在体外实验中，研究团队利用液体核磁共振等技术证明了cpLOV2具有与LOV2相似的整体结构，和光激发后Jα螺旋解旋并释放的能力，并在LOVTRAP和iLID两种光控蛋白二聚体系中实现了无缝转化。

       cpLOV2为光遗传学应用的开发提供了更多可能性。例如在STIM1介导的光控ORAI钙离子通道开放的应用中，研究团队尝试了多种不同的基于LOV2和cpLOV2构建方式，结合STIM1效应子SOAR、自抑制区域CC1等不同序列，新发现了几种仅在cpLOV2构建方式下可以实现较强的光控通道激活效应的组合，从而证明了cpLOV2与效应子的作用界面和方式与LOV2有显著的区别。cpLOV2对于需要自由N端的效应子，例如细胞程序性坏死（Necroptosis）的关键因子MLKL，cpLOV2-MLKL有效地实现了光控的细胞死亡（LOV2-MLKL无法实现）。

       嵌合抗原受体T细胞（CAR-T）免疫疗法是一种治疗癌症的新方法，但是由于CAR-T细胞治疗时活性不可调控，部分癌症患者会产生细胞因子释放综合征（cytokine release syndrome）等严重副作用。研究团队设计了基于cpLOV2的光控二聚体系（cpLID），以此为基础构建了光敏嵌合抗原受体optoCAR。光响应的optoCAR-T细胞可以特异性识别CD19肿瘤抗原，导致T细胞活化、增殖并且行使对Raji淋巴瘤细胞的杀伤。

       在小鼠实验中，研究团队利用上转换纳米颗粒（UCNPs）将机体高穿透性的红外光转换成蓝光来激活注入小鼠体内的optoCAR-T细胞，从而在动物模型上实现了针对淋巴瘤的高效光控治疗。optoCAR-T疗法较好的时间空间控制和可逆激活的能力，使得治疗的脱靶效应毒性大大减小，在不损失肿瘤杀伤效果的同时，有望减少副作用的产生。

       研究团队计划将进一步尝试开发针对多种癌症的光控optoCAR-T免疫疗法。

中科院合肥物质科学研究院强磁场科学中心朱磊博士，以及合作团队的何涟博士、谭鹏博士和黄凯是该文的共同第一作者，王俊峰研究员为该文的共同通讯作者。

       文章链接：https://dx.doi.org/10.1038/s41589-021-00792-9 

cpLOV2改造设计及其光遗传学应用拓展 

新闻链接：http://www.hf.cas.cn/xwzx/tpxw/202105/t20210508_6010688.html