雖然人類基因組大約有兩萬多個基因，但是只有一小部分基因是持續進行轉錄和翻譯的。這是根據細胞的狀態決定的，而細胞的狀態是隨時變化的。研究人員希望尋找快速控制基因的開關，以探究基因的表達情況。

哈佛-麻省理工博德研究所（Broad Institute of MIT and Harvard）的研究人員，借助一項新技術找到了一個可以快速啟動或者終止基因的表達的途徑，那就是照射細胞的光。

這項工作是基于一項被稱為光遺傳學的技術進行的研究。光遺傳學技術的原理是光可以改變光敏感蛋白質的功能。幾乎就在光出現的同時，光敏感蛋白接收光信號，快速促進或者抑制基因的表達。

麻省理工學院腦認知方向的研究生 Silvana Konermann 表示：“基因表達是一個快速的動態過程，迄今為止， 用來干預基因表達的方法都是非動態的。如果要想更深入地了解基因表達的動態變化情況，就必須用一些與這個過程相符的動態的自然發生的手段干預基因的表達。”

如果能夠精確地控制基因表達和持續的時間，就能了解某些特定基因的功能，尤其是那些參與學習和記憶的基因。其還能應用于表觀遺傳學修飾的研究。

目前這一研究在線刊登在了近期出版的《Nature》雜志上。該論文的資深作者是麻省理工學院麥戈文腦研究所的助理教授張鋒，他同時也是布羅德研究所（Broad Institute）的核心成員。

光控開關

光控開關系統由幾個相關聯的部分構成，轉錄激活因子（TALE）， CRY2（一種光敏感蛋白）和 CIB1（ CRY2 的天然結合蛋白）。 DNA 結合蛋白 TALE 組合成特定的形式與 DNA 結合。 TALE 與 CRY2 融合在一起。當 CRY2 遇到光線，它就會改變結構與 CIB1 結合。這幾部分協同作用，行使細胞的遺傳指令——調控 DNA 轉錄成 mRNA 。

利用這一原理，研究人員將 CIB1 改造成可以與另外一個蛋白相結合的形式參與基因表達的調控。光開關系統進入細胞后， TALE 與目的 DNA 結合。當有光線照射到細胞時， CRY2 蛋白與原本游離在細胞中的 CIB1 相結合。 CIB1 攜帶的基因活化蛋白啟動 DNA 的復制或者轉錄。或者， CIB1 攜帶的基因抑制蛋白抑制 DNA 的復制或者轉錄。

一個單一的光脈沖足以誘導蛋白結合，啟動 DNA 復制和轉錄。研究人員發現，每分鐘一次左右的光脈沖是實現連續轉錄最有效的頻率。另外，連續給予30分鐘的光脈沖，目的基因轉錄 mRNA 的水平顯著增加，而光脈沖一旦停止， mRNA 的水平約在30分鐘內開始下降。

研究人員通過對來自實驗室培養的神經元和取自動物的細胞中的 30 個不同的基因進行研究發現，基因開關系統均可以使其轉錄水平增加。

斯坦福大學生物工程和光遺傳學教授 Karl Deisseroth 說，該研究的創新點在于其光控開關系統控制的不是人工合成的基因，而是取自細胞的基因。基于這一技術，可以觀測特定的基因在特定時間點的表達情況。

表觀遺傳學修飾

基因表達調控開關的另外一個作用就是研究表觀遺傳學修飾。表觀遺傳學一個重要的領域就是組蛋白的化學修飾。組蛋白可以與 DNA 結合在一起，控制相關基因的表達。研究人員發現可以通過 TALE 與組蛋白融合改變表觀遺傳學修飾。

表觀遺傳學修飾在學習和記憶形成過程中發揮了重要的作用，但是由于缺少有效的途徑干預組蛋白的修飾，導致這一課題沒有進一步深入研究。新技術的應用可以精確地干預單一基因的表達，從而給該課題的研究提供了可能性。

目前，研究人員已經證實，一些組蛋白的結構域可以與光敏感蛋白結合，他們正在擴充可以被應用到基因調控系統中的組蛋白修飾的類型。

該研究小組的成員 Mark Brigham 表示：“擴充可控的表觀遺傳學標記的數量是非常有用的，希望大家能將這一技術利用起來。”