神經(jīng)元具有環(huán)境快速響應特性，其在體實時調(diào)控十分重要。但由于神經(jīng)元的復雜環(huán)路及精細亞細胞結(jié)構(gòu)，特異性的神經(jīng)元調(diào)控極具挑戰(zhàn)。光遺傳學技術使神經(jīng)元能夠迅速對光信號產(chǎn)生響應，但現(xiàn)有技術作用對象為遺傳編碼的光敏蛋白，無法調(diào)控結(jié)構(gòu)且生物功能多樣的小分子?，F(xiàn)階段的小分子光調(diào)控神經(jīng)元技術通過激發(fā)態(tài)光解去籠，其釋放的活性小分子在照射區(qū)域內(nèi)均勻分布，無法實現(xiàn)神經(jīng)元調(diào)控需要的亞細胞特異性、投射特異性及細胞類型特異性（圖1A）。
近日，中國科學院上海有機化學研究所陳以昀課題組與上海交通大學醫(yī)學院徐天樂課題組/復旦大學腦科學轉(zhuǎn)化研究院李偉廣課題組合作，發(fā)展了遺傳編碼的光催化調(diào)控神經(jīng)元技術。該技術通過生物正交光催化硼酸去籠反應，空間特異性的光控釋放生物活性小分子，在活細胞、離體神經(jīng)元和活體小鼠中首次實現(xiàn)了亞細胞特異性、投射特異性及細胞類型特異性的神經(jīng)元光化學調(diào)控?；铙w小鼠內(nèi)通過該技術特異性光控釋放GABA(B)受體激動劑巴氯芬，首次揭示了NaV1.8+神經(jīng)元是外周GABA癢覺調(diào)控的關鍵作用細胞類型（ACS Cent. Sci. 2023, DOI: 10.1021/acscentsci.3c01351.）（圖1B）。
圖1 神經(jīng)元光調(diào)控與遺傳編碼的小分子光催化調(diào)控技術
陳以昀課題組自2014年起發(fā)展了一系列基于有機硼酸的光催化與光化學反應（J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 2280; Angew. Chem., Int. Ed. 2015, 54, 1881; Chin. J. Chem. 2018, 36, 1209; J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 16237; Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202316481）。基于有機硼酸的優(yōu)秀化學穩(wěn)定性與獨特生物相容性，他們發(fā)展了有機小分子染料的生物正交光催化脫硼羥基化去籠反應，首次在活細胞和神經(jīng)元中實現(xiàn)了光催化釋放生物活性小分子（Angew. Chem., Int. Ed. 2019, 58, 561），進而實現(xiàn)了活細胞內(nèi)的有機小分子染料光催化疊氮標記蛋白質(zhì)（JACS Au 2021, 1, 7, 1066）?；谟袡C小分子染料優(yōu)異的光催化性質(zhì)和生物相容性，他們還發(fā)展了小分子配體引導的蛋白光調(diào)控策略，實現(xiàn)了活細胞內(nèi)源DNA烷基轉(zhuǎn)移酶（hAGT）及基因編輯酶CRISPR/Cas9的光化學調(diào)控（Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202115472；Chin. J. Chem. 2023, 41, 3639）。
在上述工作基礎上，陳以昀課題組設計合成了雙功能配體-有機染料小分子BGFL，在活細胞內(nèi)與SNAP-tag蛋白偶聯(lián)，得到可遺傳編碼的雜合蛋白光催化劑SNAP-FL。該蛋白光催化劑SNAP-FL具有優(yōu)秀的光催化性質(zhì)與光化學穩(wěn)定性，可以在體外及體內(nèi)高效快速生成超氧自由基陰離子，促進脫硼羥基化反應釋放生物活性小分子（圖2A）?；谠撾s合蛋白光催化劑的可遺傳編碼性，該技術在線粒體、細胞核、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)及細胞質(zhì)等亞細胞器均可實現(xiàn)空間特異性的光催化釋放抗癌藥物阿霉素，從而實現(xiàn)了亞細胞特異性的光調(diào)控蛋白質(zhì)功能（圖2B）。上述光催化小分子調(diào)控方法在離體神經(jīng)元中，通過光催化釋放線粒體解偶聯(lián)劑DNP，實現(xiàn)了線粒體膜電位的靶向調(diào)控，并且與光遺傳學聯(lián)用實現(xiàn)了神經(jīng)投射突觸前GABA(B)受體的特異性光激活（圖2C）。最終，通過綠光照射活體小鼠皮膚，首次實現(xiàn)了光催化釋放巴氯芬有效緩解瘙癢，揭示了NaV1.8+神經(jīng)元是巴氯芬抑制癢覺傳導的關鍵作用細胞類型（圖2D）。
圖2 遺傳編碼的光催化小分子調(diào)控多種細胞器及神經(jīng)元功能
上述研究成果發(fā)表在ACS Central Science，其科學概念圖被選為雜志正封面（Front Cover）。上海有機所/上?？萍即髮W聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生曾凱星與上海交通大學醫(yī)學院博士研究生焦志涵為共同第一作者，上海有機所陳以昀研究員、上海交通大學醫(yī)學院徐天樂教授、復旦大學李偉廣研究員為共同通訊作者。上述研究工作得到國家自然科學基金委重點項目、中國科學院創(chuàng)新交叉團隊項目、上海市科委、上海交通大學醫(yī)學院、生命過程小分子調(diào)控全國重點實驗室的大力資助。
Genetically Encoded Photocatalysis Enables Spatially Restricted Optochemical Modulation of Neurons in Live Mice
Kaixing Zeng1, Zhi-Han Jiao1, Qin Jiang, Ru He, Yixin Zhang, Wei-Guang Li*, Tian-Le Xu*, Yiyun Chen*
ACS Cent. Sci. 2023, DOI: 10.1021/acscentsci.3c01351.
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