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光遗传:让遗传性失明者重见光明
周小喆   
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先看评语
· 典型的科普+科学文章。全文前半部分轻松活泼,前导文字还是比较有代入感。后半部分就是严谨的光遗传小综述,比较专业。总体看来是科学内涵十足,如若后半部分的行文如何能再不那么生硬将更好。 · 本文主要讲述了光遗传技术作为光敏蛋白和遗传工程的结合,不仅可以通过五彩缤纷的荧光蛋白点亮大脑,观察大脑的神经活动,还可以让视网膜坏死的盲人重见光明。开头引用蓉蓉患色素性视网膜炎的案例,从而引出光遗传技术的主题。从当年下村修发现水母中的荧光蛋白说起,详细介绍了光遗传学的发展历史,通过华裔科学家潘卓华的研究,论述了光遗传技术的能耐之大。参考资料丰富,内容充实,文章的科学性强。多用设问句,循循善诱,引导读者。结尾表现出作者对光遗传学研究深入发展的期待和信心,升华主题。不足之处为文章篇幅较长,下半段专业术语多,词句生涩,读者较难阅读并理解。 · 介绍了光敏感通道蛋白对治疗眼疾的前景,引用详实,这也代表着通俗性较差,科普效果不佳。 · 文章科学性较强,很好地从小处着眼解释了光遗传及其学术发展过程。作者想通过蓉蓉的病引入光遗传,是比较好的方法,但在文章发展过程中,”蓉蓉“的身影几乎消失,可以说在整篇文章中,这种手法并没有起到很好的作用,反而让读者”出戏“。

【摘要】光还能遗传?不要被这个奇怪的名字唬住。其实它是光敏蛋白和遗传工程的结合。这项技术不仅可以通过五彩缤纷的荧光蛋白点亮大脑,观察大脑的神经活动,还可以让视网膜坏死的盲人重见光明。而它真正的能耐还远不止于此。就让我们从诺贝尔化学奖得主下村修捕捞水母的故事说起,一起见证光遗传的前生今世。

蓉蓉是一个32岁的年轻作家。白天她在一家杂志社担任编辑工作,晚上回家她通常会花上几个小时创作小说。最近她发现,一到晚上就看不清东西。一开始她感到自己的视野慢慢缩窄,后来她只能看到中央部分的东西,周边的都看不到了。就连自己宠爱的小狗也只能看到一小部分。

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(图片是模拟夜盲症患者视角的特效图片。)

根据症状,她觉得自己可能患了夜盲症。周末她来到当地的一家三甲医院做了一次完整的眼科检查。检查的结果让她万分震惊。

医生告诉她,她的确得了夜盲症。但她的夜盲症并不是因为缺少维生素A造成的暂时性夜盲症。她的症状是由一种叫做色素性视网膜炎的遗传性疾病造成的。这种疾病原发于视网膜营养不良,早期往往会表现为夜盲症、随着病情的加重,最终会导致双目失明。

看着眼前因遭受突然打击而陷入消沉的蓉蓉,医生又给她详细介绍了色素性视网膜炎的具体成因。 

人类视网膜中包含了大量光感细胞。它们主要分为两类:一类叫做视锥细胞,另一类叫做视杆细胞。这两类细胞数量相差很大,功能也有所不同。

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(视网膜示意图)

视锥细胞是视网膜上的一种色觉和强光的感受细胞。人类每只眼球的视网膜上大约有600-700万视锥细胞。这些细胞主要用于识别颜色,并且在相对较亮的光照下更能发挥作用。通过它们形成的视觉信号在复合后将为人呈现出一个色彩缤纷的世界。

视杆细胞则主要分布在视网膜中心周围,人类视网膜平均约有1亿2500万个视杆细胞。它们较视锥细胞对光更敏感,通常只要1个光子就能激发视杆细胞的活动,而且,它们对单个光子的敏感度是视锥细胞的100多倍。因此视杆细胞让人在较暗的环境下也能看清物体。

听到这,蓉蓉连忙问道:“也就是说,我现在的夜盲症就是我视网膜里的视杆细胞出了问题?”

医生朝蓉蓉点了点头:“你说得没错,色素性视网膜炎就是由于眼睛中的视网膜和脉络膜之间出现了一层障碍物,它阻碍了营养物质朝视网膜的传送,导致视网膜营养不良,其中的感光细胞也就逐渐坏死了。你现在的夜盲症就是视杆细胞的坏死造成的。”

看着一脸懵懂的蓉蓉,医生又打了个比方:“视网膜好比一个果园,视杆细胞和视锥细胞相当于果园中的苹果树和梨树,脉络膜就是果园旁的水源。它们之间的沟渠逐渐被垃圾堵塞了。果园得不到充足的水份,时间久了果园里的苹果树和梨树就逐渐枯萎坏死了!”

对于想成为优秀作家的蓉蓉来说失明是无法想象的。失去视力对她的阅读、写作甚至整个生活都会带来致命的打击。而经验丰富的医生也早就洞悉了她此时的心情。一阵沉默之后,他向蓉蓉提出了一种叫做光遗传的技术,并告诉她世界上已有通过这项技术治疗色素性视网膜炎的方案。

“光?还能遗传?”显然蓉蓉是第一次听到这个奇怪的名字。

医生告诉蓉蓉,光遗传中的“光”指的是一种叫做光敏蛋白的物质,而遗传指的就是遗传工程。

只是这两项看似毫无关联的技术是如何结合在一起的?它们又将如何帮助蓉蓉治疗色素性视网膜炎?

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(图片来自维基百科词条──维多利亚发光多管水母)

故事还得从头说起。 

1960年代,日本科学家下村修(Osamu Shimomura)在美国西雅图旁的星期五港湾打捞上来了一种会发出绿色荧光的水母。很快他和他的同事们便在普林斯顿大学的实验室里从这种水母身体中提纯出了一种叫做绿色荧光蛋白的物质。

30年后的1990年代,这种绿色荧光蛋白的基因被克隆,并可以在其它物种中表达。只要把它的基因转移到其它细胞中,这些细胞就可以在组织中发亮。至此荧光蛋白和遗传工程这两项技术有了第一次亲密接触。

1995年,加州大学圣地亚哥分校的钱永健教授发现只要改变荧光蛋白分子上的一个氨基酸就可以让它发出的光更亮更稳定。之后又有几个研究小组在其工作的基础上创造出了红、蓝、黄、青等不同颜色的荧光蛋白。

如果用转基因的方法让脑细胞随机表达几种不同颜色的的荧光蛋白,那么在紫外光下脑细胞就会发出五彩斑斓的荧光。通过这种被称为“彩虹脑”的技术,研究人员就能看清大脑中的每个细胞。 

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(图片为彩虹脑,是获得荧光标记的大脑海马皮层)

然而,仅仅看清这些静态的细胞是不够的,接下来的任务就是如何通过荧光蛋白显示神经细胞的活动,以及如何利用光来控制它们。

那么,又有什么办法可以直观地看到神经细胞的活动呢?

神经细胞的活动有两个重要的指标:一个是细胞膜电位的变化,另一个则是细胞内钙离子浓度的变化。

神经细胞的膜电位变化是神经细胞活动最基本的信号,当膜电位变化时,细胞膜上镶嵌的许多蛋白质分子都会改变形状,因此改变膜电位是一个细胞指挥自己身上众多蛋白分子统一行动的信号,这类随膜电位改变形状的蛋白分子也叫电压敏感蛋白。 

有了这种会随着细胞膜电位变化形状的蛋白分子,同样可以使用基因工程的方法,让荧光蛋白和这些电压敏感蛋白连接起来。这样,当电压敏感蛋白发生改变的时候就会影响荧光蛋白的发光。那么通过神经细胞散发出的荧光就能看到它的膜电位变化了。

如果把神经细胞比作一间房间,电压敏感蛋白就相当于房间的窗户。如今在窗户上安装了一个开关指示灯。每当细胞活动(窗户开和关)的时候,安装在窗户上的指示灯就会发出荧光。这样,通过荧光就可以清晰地了解房间的各种变化。

另一个观测神经细胞活动的指标就是测试细胞内钙离子的浓度。钙离子参与了细胞内的很多生理过程,如细胞内信息传递、基因表达、神经递质释放等等。细胞内的钙离子浓度非常低,一般只有外部的十万分之一。虽然内外浓度相差很大,但是钙离子不能透过细胞膜直接进出,它们必须通过特殊的钙离子通道才能进出细胞。神经细胞在静息的时候钙离子通道都是关闭的,只有当膜电位发生变化时,大批对电压敏感的钙离子通道才会打开,细胞外的钙离子会迅速涌进细胞膜内,造成一个突然的钙高峰。

那么如何观测细胞内钙离子的浓度变化呢?科学家们的思路和之前观测细胞的膜电位变化类似。将能与钙离子结合的蛋白组合钙调蛋白(Calmodulin,简称CaM)和它的亚基M13分别连在绿色荧光蛋白的两个位置上。当这个融合蛋白不结合钙离子的时候,绿色荧光蛋白不会发出荧光,当CaM和M13结合了钙离子,这两个蛋白就会更加紧密地靠在一起,与绿色荧光蛋白的结构完整地结合起来,就发出了明亮的荧光。

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(图片为钙浓度变化指示蛋白示意图)

通过对神经细胞膜电位变化和细胞内部钙离子浓度变化的荧光显示,科学家们已经能够直观地观测到神经元的活动。这也意味着他们甚至可以通过观测大脑神经细胞活动的荧光变化观测到思维活动。这将使“读心术”不再是一个遥不可及的梦想。

从当年下村修发现水母中的荧光蛋白到能够通过钙调蛋白观测到细胞内部的钙离子运动。光遗传技术已经能够通过这些五彩缤纷的荧光清晰地展现出神经细胞内部的世界和它们的活动。

接下来的挑战就是如何通过光来控制这些神经细胞。

激活神经细胞的方法一般有两种:物理的方法是电刺激,例如将金属电极放在神经细胞旁边,通过改变细胞外电场来激活细胞。化学方法就是施加神经递质类的小分子,或者作用于细胞受体的药物。

那么光遗传又会采用什么方法?它比物理和化学方法又会好在哪里?

神经系统可以被看做是一个高度复杂的电路系统。其中每个神经细胞都像个小电池,静静地储蓄电能,然后利用电能处理和传输信号。蓄电的过程需要依靠细胞膜上镶嵌的几种蛋白分子打开离子通道,通过控制离子跨越细胞膜的流量来控制电荷的积累。那么,如果能够通过光来控制这些细胞膜上的离子通道,那么也就意味着能够控制神经细胞的活动。

2003年,一位华裔科学家潘卓华发表了一篇关于光敏感通道蛋白( channelrhodopsin,ChR2)的论文。从此光遗传学又向前迈进了一大步。

光敏感通道蛋白同样来自大海,不过这一次并不是来自水母,而是来自于绿藻。这种微生物在捕捉到光子后细胞上的蛋白通道会自动打开让阳离子进入它的细胞,从而控制它朝着有光的地方泳动。 

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(左图为光敏通道蛋白,右图为绿色荧光蛋白)

有了这种光敏感通道蛋白,只要把它植入到神经细胞里,就可以用光来控制细胞膜上的离子通道,从而控制神经细胞的活动。

而且,相比物理、化学方法,它只需要向细胞内转入一个蛋白,实际操作性高;以光作为刺激媒介,具有高时效性;对实验动物的创伤远远小于传统方法,且没有异物侵入组织;可以用定位的光纤来局部刺激细胞,也可以设计弥散光刺激大范围的神经细胞区域。

听完医生对光遗传学的详细介绍,蓉蓉不禁赞叹道:“这太神奇了,就是说光遗传不仅可以通过五彩缤纷的荧光观测到神经系统的活动,还可以通过光来控制它们,是吗?”

医生点点头。

“那么,光遗传学和我的眼疾又有什么关系?它真的能够帮助我恢复视力吗?”

“你还记得刚才提到的华裔科学家潘卓华吗?”医生微笑着答道。

潘卓华原来就是一位视觉研究专家,他认为眼睛可能是光遗传最容易应用到的区域。因为眼睛不仅是感光器官,对光的反应敏感,不需要其它能发出光线的额外硬件。而且眼球直接暴露在体表,对它进行基因疗法比较容易操作。还有一个好处就是眼睛作为中枢神经系统的一部分,有一定的免疫豁免特性。

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(潘卓华在他继续光敏通道蛋白研究的韦恩州立大学实验室中。 )

而色素性视网膜炎虽然会造成视网膜上90%的感光细胞(视锥细胞和视杆细胞)坏死,但还是会保留一些其他的细胞,比如双极细胞和视网膜神经节细胞。这些细胞虽然对光线不敏感,但是在人完全失明后的几十年里仍然可以保持健康。如果能够把光敏通道蛋白运送到这些细胞中,让这些细胞也能感光。那么失明的患者不就可以重见光明了吗?

那么又要如何让光敏感通道蛋白进入活体动物的眼睛呢?2004年的夏天,潘卓华确定了使用病毒作为载体的方案。病毒可以很好地传染眼睛内的神经细胞,并使光敏感通道蛋白 DNA进入到目标细胞内部。他的合作者Alexander Dizhoor改造了光敏感通道蛋白的基因,并加入了在蓝光下发出绿色荧光的蛋白 (Green Fluorescent Protein,简称GFP) ,这样它们就可以知道光敏感通道蛋白进入了哪些细胞。

2004年7月,潘卓华给他的第一个实验老鼠注射了包含光敏通道蛋白DNA的病毒。大约五周后,他取出视网膜进行观察。他所看到的是一片绿色的海洋——数以千计的神经节细胞拥有了光敏感通道蛋白的表达。他在这些细胞的其中一个插入电极并打开了一盏灯,细胞立刻产生了一连串的电活动。这证明光敏感通道蛋白是工作的。

医生接着又告诉蓉蓉,光遗传技术的能耐远远不止于让视网膜上的神经节细胞拥有感光能力。MIT(麻省理工大学)生物工程系和大脑与认知科学系的专家Ed Boyden教授曾经在一次采访中提到:他们的研究可以通过光的明和暗直接对大脑进行刺激,当刺激大脑神经细胞的灯光明亮时,可以驱动神经元传播信号,此时,可以把这种刺激定义为“1”。如果灯光黯淡时,则可把它归类为“0”。这意味着在理论上,实验老鼠的的各种感觉包括视觉、嗅觉、听觉、触觉,都可以模拟出一连串的“1”和“0”。未来一旦能够破译形成视觉的二进制代码,那么即便没有视网膜里的感光细胞,通过光对大脑中神经细胞的刺激就能直接在大脑中映射出整个的外部世界。

听到这里,蓉蓉一直紧张着的神经才慢慢放松了下来。虽然得知自己患有视网膜色素变性,并且会因此而失明给她带来了沉重的打击。不过经过医生对光遗传的详细介绍,坚定了她与疾病抗争的决心。蓉蓉相信,随着光遗传学研究的深入一定能够为她守护住眼前的这片光明。

参考资料

1. "Facts About Retinitis Pigmentosa". National Eye Institute. May 2014. Retrieved 2 December 2017. 
2. Nave, R. Light and Vision. HyperPhysics. [2014-11-13]. 
3. National Eye Institue (nei.nih.gov) Facts About Retinitis Pigmentosa 
4. 摘自下村修著作《向水母学习》,长崎文献社出版 
5.中国科学院──08诺奖解读 
6.中国科学院院刊──脑科学研究新技术
7. 科学网──潘卓华:一定拿诺奖的光遗传学 被遗忘的创始人
8. Nature子刊:基因疗法有望让失明者重见光明 

-完-
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光遗传:让遗传性失明者重见光明
周小喆

学校:上海师范大学

学历:本科

专业:计算数学

职业:程序员

评委点评 评语汇总

典型的科普+科学文章。全文前半部分轻松活泼,前导文字还是比较有代入感。后半部分就是严谨的光遗传小综述,比较专业。总体看来是科学内涵十足,如若后半部分的行文如何能再不那么生硬将更好。

2019-09-24 00:41 匿名 ——

本文主要讲述了光遗传技术作为光敏蛋白和遗传工程的结合,不仅可以通过五彩缤纷的荧光蛋白点亮大脑,观察大脑的神经活动,还可以让视网膜坏死的盲人重见光明。开头引用蓉蓉患色素性视网膜炎的案例,从而引出光遗传技术的主题。从当年下村修发现水母中的荧光蛋白说起,详细介绍了光遗传学的发展历史,通过华裔科学家潘卓华的研究,论述了光遗传技术的能耐之大。参考资料丰富,内容充实,文章的科学性强。多用设问句,循循善诱,引导读者。结尾表现出作者对光遗传学研究深入发展的期待和信心,升华主题。不足之处为文章篇幅较长,下半段专业术语多,词句生涩,读者较难阅读并理解。

2019-09-15 16:04 匿名 ——

介绍了光敏感通道蛋白对治疗眼疾的前景,引用详实,这也代表着通俗性较差,科普效果不佳。

2019-09-14 23:33 匿名 ——

文章科学性较强,很好地从小处着眼解释了光遗传及其学术发展过程。作者想通过蓉蓉的病引入光遗传,是比较好的方法,但在文章发展过程中,”蓉蓉“的身影几乎消失,可以说在整篇文章中,这种手法并没有起到很好的作用,反而让读者”出戏“。

2019-09-13 16:47 匿名 ——

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