聲遺傳學(xué)重要突破：首次用聲音激活哺乳動物細(xì)胞

光遺傳學(xué)的誕生與發(fā)展已經(jīng)為神經(jīng)科學(xué)帶來了重大變革，現(xiàn)在，索爾克生物學(xué)研究所的科學(xué)家正試圖開發(fā)出另一項革命性的研究工具：利用聲音操控細(xì)胞的“聲遺傳學(xué)”。

在一篇發(fā)表于《自然·通訊》的論文中，研究團(tuán)隊成功使用超聲波脈沖在體外激活人體細(xì)胞，并在活體小鼠中激活了經(jīng)過基因編輯的神經(jīng)元。這項突破為實現(xiàn)無創(chuàng)的腦深部刺激奠定了基礎(chǔ)，并且有望在更多醫(yī)學(xué)場景中發(fā)揮作用。

大約10年前，Chalasani教授就開創(chuàng)性地提出了使用超聲波來刺激特定的細(xì)胞的想法，聲遺傳學(xué)的概念初步成型。2015年，Chalasani教授團(tuán)隊在一篇《自然·通訊》論文中指出，一個名為TRP-4的蛋白可以使線蟲細(xì)胞對低頻超聲波靈敏。當(dāng)研究團(tuán)隊將TRP-4添加至線蟲的神經(jīng)元中，他們就能利用超聲波激活這些細(xì)胞。

但當(dāng)研究團(tuán)隊嘗試將TRP-4添加至哺乳動物的細(xì)胞中，卻發(fā)現(xiàn)這個蛋白質(zhì)失效了，無法對超聲波信號作出響應(yīng)。因此，研究團(tuán)隊決定重新開始搜索，他們希望找到對處于安全波段的7兆赫茲超聲波高度靈敏的蛋白質(zhì)。

在最新研究中，研究團(tuán)隊依次將近300個候選蛋白質(zhì)加入人類的HEK細(xì)胞系，隨后監(jiān)測在超聲波刺激之下，培養(yǎng)皿中細(xì)胞的變化。

經(jīng)過超過1年的篩查，研究團(tuán)隊從近300個候選者中，終于找到了符合要求的蛋白質(zhì)：離子通道蛋白TRPA1。這種蛋白可以在有害化合物出現(xiàn)時，激活包括神經(jīng)元、心肌細(xì)胞在內(nèi)的一系列人體細(xì)胞。而研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，在超聲波刺激之下，這個離子通道同樣可以打開。

▲在7兆赫茲的超聲波脈沖刺激下，TRPA1從候選蛋白質(zhì)中脫穎而出（圖片來源：參考資料[1]）

隨后，研究團(tuán)隊需要驗證的是，這一效應(yīng)能否在其他類型的細(xì)胞中出現(xiàn)。他們將編碼人類TRPA1的基因敲入小鼠大腦中的特定神經(jīng)元。這時施加超聲波刺激，只有攜帶TRPA1相關(guān)基因的神經(jīng)元得到了激活。因此，聲遺傳學(xué)操控在哺乳動物細(xì)胞中的可行性得到了驗證。

▲表達(dá)TRPA1的神經(jīng)元（白色）能夠被超聲波刺激激活（圖片來源：索爾克生物學(xué)研究所）

研究團(tuán)隊指出，這一技術(shù)將在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。目前，在帕金森病、癲癇等神經(jīng)疾病的臨床治療中，都會使用腦深部刺激，而這需要通過外科手術(shù)向腦部植入電極。

此外，這項技術(shù)還有望用于打造無需植入的心臟起搏器。

在這項技術(shù)真正能走向應(yīng)用之前，還有大量工作需完成。接下來，研究團(tuán)隊將開展更多基礎(chǔ)研究，探索TRPA1對超聲波敏感的機(jī)制，并進(jìn)一步提升其敏感性。聲遺傳學(xué)能否在不久的將來掀起另一場革命，我們將共同期待。

參考資料：

[1] Duque, M., Lee-Kubli, C.A., Tufail, Y. et al. Sonogenetic control of mammalian cells using exogenous Transient Receptor Potential A1 channels. Nat Commun (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-28205-y

[2] In a first for “sonogenetics,” researchers control mammalian cells with sound. Retrieved Feb 9th, 2022 from https://www.eurekalert.org/news-releases/942451

（原文有刪減）