光遺傳學(xué)會不會獲諾獎？
北京時間2021年9月25日零點(diǎn)，有 “諾獎風(fēng)向標(biāo)” 之稱的拉斯克獎（the Lasker Awards）公布，三位在光遺傳學(xué)領(lǐng)域作出重要貢獻(xiàn)的科學(xué)家獲得阿爾伯特·拉斯克基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究獎。
根據(jù)拉斯克獎官網(wǎng)介紹，三位獲獎人的具體貢獻(xiàn)分別是：
迪特爾·奧斯特黑爾特（Dieter Oesterhelt），發(fā)現(xiàn)了一種古細(xì)菌蛋白質(zhì)，它可以在光照條件下將質(zhì)子泵出細(xì)胞；
彼得·黑格曼（Peter Hegemann），在單細(xì)胞藻類中發(fā)現(xiàn)了相關(guān)的通道蛋白；
卡爾·代塞爾羅思（Karl Deisseroth），利用這些分子創(chuàng)建了光觸發(fā)系統(tǒng)，這些系統(tǒng)可以在活的、自由移動的動物身上使用，以理解在迷宮一般的腦回路中特定類別乃至一類神經(jīng)元的作用。
大腦是人最復(fù)雜的器官，人的感覺、記憶、思考、運(yùn)動等諸多生理活動，以及各種神經(jīng)系統(tǒng)疾病都與神經(jīng)元的功能息息相關(guān)。多年以來，理解各種神經(jīng)元的具體功能一直是神經(jīng)生物學(xué)的中心研究領(lǐng)域。
特異性地控制神經(jīng)元活動對神經(jīng)生物學(xué)家具有無法抵擋的吸引力。如果能特異性地激活一類神經(jīng)元，那么就可以通過觀察激活后的生理現(xiàn)象來推測其功能。同理，如果能特異性地抑制一類神經(jīng)元，則可以推測這類神經(jīng)元對哪些生理活動是必須的。
神經(jīng)生物學(xué)家們嘗試過各種方法來達(dá)到這個目標(biāo)。比如，用微電極來刺激神經(jīng)元，或者使用化學(xué)物質(zhì)來模擬或者拮抗神經(jīng)遞質(zhì)。但這些方法都有難以克服的缺陷：微電極控制的精度不夠，比如不能特異性地控制一類神經(jīng)元；化學(xué)物質(zhì)控制神經(jīng)元的速度難以控制，很難在毫秒級別進(jìn)行操作。
紫色的膜與光傳感器
1969 年，29歲的青年化學(xué)家迪特爾·奧斯特黑爾特（Dieter Oesterhelt，1940年-）從德國慕尼黑大學(xué)學(xué)術(shù)休假，來到了美國加州大學(xué)舊金山分校電子顯微鏡專家沃爾瑟·斯托克尼烏斯（Walther Stoeckenius，1921年7月3日-2013年8月12日）的實驗室。
當(dāng)時，斯托克尼烏斯正在研究一種可以在高鹽環(huán)境中生存的古細(xì)菌的細(xì)胞膜，這種微生物現(xiàn)在被稱作鹽生鹽桿菌（Halobacterium salinurum）。在這次合作中，奧斯特黑爾特證實鹽生鹽桿菌的細(xì)胞膜中紫色的組分含有視黃醛。隨后，他和斯托克尼烏斯確定了古細(xì)菌中的一種蛋白質(zhì)，并將其命名為細(xì)菌視紫紅質(zhì)（bacteriorhodopsin）。1971 年，他們提出細(xì)菌視紫紅質(zhì)起到了光傳感器或光感受器的作用。
回到德國后，奧斯特黑爾特和斯托克尼烏斯繼續(xù)合作這一研究。奧斯特黑爾特發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌視紫紅質(zhì)可以將質(zhì)子泵出細(xì)胞。這個神奇蛋白質(zhì)，像是一個微型光能發(fā)電機(jī)，能吸收光子的能量，用這些能量把質(zhì)子泵到細(xì)胞的外面，從而進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為細(xì)菌所需的能量。
后來，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了另外一種含視黃醛的光激活泵——鹵化視紫紅質(zhì)（halorhodpsin），可以將氯離子輸送到細(xì)胞中。這兩種物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)和對其生物物理、結(jié)構(gòu)和遺傳學(xué)的研究，為光遺傳學(xué)的發(fā)展提供了基礎(chǔ)性的見解。
來自微生物的光敏蛋白
20世紀(jì)80年代，彼得·黑格曼在位于慕尼黑的馬克思·普朗克生物化學(xué)研究所攻讀博士學(xué)位。他的導(dǎo)師正是發(fā)現(xiàn)細(xì)菌視紫紅質(zhì)的迪特爾·奧斯特黑爾特。
黑格曼的博士論文，研究的是來自另一種細(xì)菌的視紫紅質(zhì)——鹵化視紫紅質(zhì)（halorhodopsin）。
鹵化視紫紅質(zhì)存在于一種耐鹽古細(xì)菌中，其利用光能將其生活的高鹽度環(huán)境中的氯離子排出體外。黑格曼首先通過生物化學(xué)技術(shù)分離提純了這一蛋白。
此時，剛剛在法蘭克福的馬克思·普朗克生物物理研究所建立自己實驗室的恩斯特·班貝格（Ernst Bamberg）參與了進(jìn)來，他通過構(gòu)建體外系統(tǒng)來研究黑格曼所提純出的halorhodopsin的電化學(xué)特性。
1984年獲得博士學(xué)位后，黑格曼來到美國雪城大學(xué)的肯·福斯特（Kenneth Foster）的實驗室從事博士后研究。
福斯特研究的是另一種對光敏感的微生物：單細(xì)胞綠藻。這些單細(xì)胞的藻類具有趨光性，能夠揮舞鞭毛向著有光的方向游去（它們需要光進(jìn)行光合作用）。福斯特認(rèn)為，單細(xì)胞綠藻也可能使用某種視紫紅質(zhì)作為它們的眼睛，從而得知光亮的方向，并且能驅(qū)動鞭毛游往有光的地方。
萊茵衣藻 Chlamydomonas reinhardtii
1986年，黑格曼回到普朗克生物化學(xué)研究所建立起自己的實驗室，開始潛心研究萊茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii，一種微小的綠藻）趨光性行為。
1991年，黑格曼發(fā)現(xiàn)，萊茵衣藻的光受體也是一種視紫紅質(zhì)，但它的工作方式與之前發(fā)現(xiàn)的各種視紫紅質(zhì)都不一樣。衣藻視紫紅質(zhì)的光照之后會引起鈣離子流入細(xì)胞中，從而引起的電流能夠激發(fā)鞭毛的運(yùn)動，他稱之為光電流（photocurrent）。
人眼中的視紫紅質(zhì)感光之后也會產(chǎn)生光電流，通過神經(jīng)傳遞到大腦之后就形成了視覺。人眼中視紫紅質(zhì)引起光電流需要經(jīng)過細(xì)胞內(nèi)一系列蛋白的信號傳導(dǎo)，而黑格曼發(fā)現(xiàn)衣藻視紫紅質(zhì)產(chǎn)生光電流的速度比人眼中的視紫紅質(zhì)快得多。據(jù)此他大膽地推測：衣藻視紫紅質(zhì)本身可能就是一個可以作為電流開關(guān)的離子通道。
然而，此后的十年里，黑格曼使盡各種辦法，也無法像當(dāng)初分離提純一樣分離鹵化視紫紅質(zhì)提純出衣藻視紫紅質(zhì)，來驗證他的猜想。
隨著分子生物的發(fā)展，2001年，黑格曼和其他科學(xué)家通過測序衣藻的基因組發(fā)現(xiàn)了兩個新的光受體基因。
為了證明它們究竟是不是苦苦追尋十余年的衣藻視紫紅質(zhì)，黑格曼找到了當(dāng)初和合作研究鹵化視紫紅質(zhì)電化學(xué)特性的班貝格。
此時的班貝格已經(jīng)是普朗克生物物理研究所的所長。此前的1995年，班貝格就和普朗克生物物理研究所的科學(xué)家格奧爾格·納格爾（Georg Nagel）將細(xì)菌視紫紅質(zhì)表達(dá)在動物細(xì)胞中，使得動物細(xì)胞在受到光照時產(chǎn)生光電流。
2003年，從黑格曼那里得到光受體基因后，班貝格和納格爾用同樣的方法成功地在動物細(xì)胞中表達(dá)了衣藻視紫紅質(zhì)蛋白，從而發(fā)現(xiàn)只要有這個蛋白單獨(dú)存在，就能產(chǎn)生光電流，使陽離子流入細(xì)胞中，造成細(xì)胞去去極化。他們的結(jié)果終于證明黑格曼的假說：衣藻視紫紅質(zhì)是一個能被光所打開的陽離子通道。
從前人們知道，特定的化學(xué)分子，或者電壓的變化，或者機(jī)械力的變化可以開關(guān)特定的離子通道，而能被光直接控制的離子通道還是第一次被發(fā)現(xiàn)，于是他們把衣藻視紫紅質(zhì)命名為視紫紅質(zhì)通道蛋白（Channelrhodopsins，ChR1）。這個詞由離子通道（Channel）和視紫紅質(zhì)（Rhodopsin）組合而成。
他們還在爪蟾的卵細(xì)胞中表達(dá)了這種蛋白，發(fā)現(xiàn)光照可以引起細(xì)胞的靜息電位發(fā)生變化。這項開創(chuàng)性的工作發(fā)表在了2002年6月的 Science 上。
2003年，納格爾和黑格曼又發(fā)現(xiàn)了一個新的通道蛋白——ChR2。這一次，他們不但做了更深入的機(jī)制研究，而且把ChR2首次在人的細(xì)胞（HEK）中表達(dá)。作者在文章結(jié)論中寫道：“ChR2能夠成為控制細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度或者細(xì)胞膜極化水平的有用工具，特別是在哺乳動物細(xì)胞中”。
ChR1和ChR2的發(fā)現(xiàn)，讓一些神經(jīng)生物學(xué)家眼前一亮——這或許就是使用光來控制神經(jīng)元的理想介質(zhì)。而光遺傳學(xué)的大門從這里也正式開啟了。
光遺傳學(xué)的誕生
視紫紅質(zhì)通道蛋白的發(fā)現(xiàn)，不僅僅解釋的衣藻的趨光性行為，納格爾和班貝格的實驗還證明了這個來自衣藻的光敏感通道能獨(dú)自驅(qū)使動物細(xì)胞產(chǎn)生光電流。因此，借助這個光敏感通道，就可以通過光來遙控動物細(xì)胞，特別是神經(jīng)細(xì)胞的電活動。
用光來改變神經(jīng)細(xì)胞的電活動是神經(jīng)科學(xué)家長久以來的夢想，光刺激有著比傳統(tǒng)藥物刺激和電刺激更高的時間和空間的精確性，并且對組織的傷害更小。
20世紀(jì)90年代，科學(xué)家開始使用光控釋放神經(jīng)遞質(zhì)來激活細(xì)胞，但這種方法的時間和空間的精確性仍然不夠。
2002年，奧地利神經(jīng)科學(xué)家格羅·米森伯克 (Gero Miesenb?ck）開始在光控中引入遺傳學(xué)，嘗試將果蠅眼中的視紫紅質(zhì)表達(dá)在哺乳動物細(xì)胞中，或者將哺乳動物的離子通道表達(dá)的果蠅的神經(jīng)細(xì)胞中。使用遺傳學(xué)的優(yōu)勢在于，可以專門針對研究者想到測試的神經(jīng)細(xì)胞進(jìn)行遙控，但米森伯克缺乏一種強(qiáng)有力的工具可以讓光精確地改變神經(jīng)活動。
2003年在衣藻中發(fā)現(xiàn)的視紫紅質(zhì)通道蛋白正好提供了這樣一個強(qiáng)有力的工具。
2000年，愛德華·博伊登（Edward S. Boyden，1979-）來到斯坦福大學(xué)，在錢永佑（Richard Tsien，錢永健的哥哥）和詹妮弗·雷蒙德（Jennifer Raymond）教授的指導(dǎo)下，研究小腦神經(jīng)回路。
在錢永佑的實驗室，博伊登遇到了錢永佑之前的博士生卡爾·代塞爾羅思（Karl Deisseroth，1971-）。代塞爾羅思之前在斯坦福大學(xué)學(xué)習(xí)神經(jīng)生物學(xué)，并在斯坦福醫(yī)院當(dāng)過精神科住院醫(yī)師。
有著工程背景的博伊登和醫(yī)學(xué)背景的代塞爾羅思經(jīng)常在一起討論當(dāng)時神經(jīng)生理學(xué)的研究技術(shù)。多次的思想碰撞讓兩位年輕人意識到，當(dāng)時的技術(shù)還有很大局限，神經(jīng)生物學(xué)家需要更好的工具來控制大腦中特異的神經(jīng)元，他們決定開發(fā)這樣的工具。
他們最初設(shè)想可以使用磁場來控制神經(jīng)元，在神經(jīng)元中表達(dá)機(jī)械拉力敏感的離子通道，然后把微小的磁珠特異性連接到這種通道蛋白上，這樣就可能通過外部磁場來控制神經(jīng)元的電活動。但是，無論是找到合適的機(jī)械敏感離子通道基因還是把磁珠連接到通道蛋白上，技術(shù)難度都非常大。
后來，博伊登在閱讀一篇1999年發(fā)表的論文中得到了靈感。這篇論文報道了在嗜鹽堿單胞菌中發(fā)現(xiàn)的鹵化視紫紅質(zhì)（halorhodopsin），能夠在大腦的氯離子濃度下工作。這種視紫紅質(zhì)可以在受光照時激活離子通道。
博伊登意識到使用光來控制離子通道比磁場更容易實現(xiàn)。他寫郵件給這篇論文的作者，索要了這個蛋白的基因。但后來由于博伊登忙于博士學(xué)位論文，這件事情被晾在了一邊。
2003年秋天，代塞爾羅思即將獨(dú)立成為PI，組建自己的實驗室。他寫郵件給博伊登，希望博伊登博士畢業(yè)后可以去他的實驗室做博后，一起開展之前討論的使用磁場控制神經(jīng)元的項目。
從2003年10月到2004年2月，代塞爾羅思和博伊登為即將開始的磁控神經(jīng)元項目閱讀了大量的文獻(xiàn)。恰在此時，納格爾、黑格曼和班貝格及同事們在 PNAS 期刊上發(fā)表了前文提到的ChR2的論文。
博伊登閱讀這篇論文時立刻意識到，ChR2擁有他們設(shè)想過的一切特性：在一個蛋白中把輸入信號（光）和輸出（去極化神經(jīng)細(xì)胞）偶聯(lián)起來。事實上，同時意識到這一ChR2這一特性可以用于光控神經(jīng)細(xì)胞的，遠(yuǎn)不止博伊登一人。
博伊登寫信給代塞爾羅思，希望能聯(lián)系納格爾索要ChR2的克隆。代塞爾羅思于2004年3月聯(lián)系了納格爾。那時，納格爾已對ChR2做了一些改良，他把這些改良后的克隆寄送給了代塞爾羅思和博伊登。
博伊登當(dāng)時還在錢永佑的實驗室做博士課題。但從2004年7月開始，博伊登幾乎把博士課題放在了一邊，專心做起了ChR2在神經(jīng)元中表達(dá)的項目。
2004年8月4日的凌晨1點(diǎn)，博伊登在錢永佑的實驗室里用藍(lán)光照射表達(dá)了ChR2的神經(jīng)元，成功觀察到了去極化和動作電位。早上，他發(fā)郵件給代塞爾羅思告訴了他的發(fā)現(xiàn)。代塞爾羅思回信：“太棒了?。。。?！” 五個感嘆號顯示了他當(dāng)時的興奮心情。
2005年初，張鋒（就是后來最早在哺乳動物細(xì)胞中使用CRISPR做基因編輯的那位，現(xiàn)麻省理工學(xué)院教授）來到代塞爾羅思實驗室開始了研究生生涯。他改進(jìn)了博伊登的表達(dá)體系，使用慢病毒在神經(jīng)元中表達(dá)ChR2，大大增加了該系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
2005年4月19日，博伊登和代塞爾羅思把他們的發(fā)現(xiàn)投稿給 Science 雜志，遭拒稿，理由是沒有具體的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。5月5日，他們投稿到 Nature 雜志，Nature 建議把稿件轉(zhuǎn)投給 Nature Neuroscience 雜志。經(jīng)過一輪修改，Nature Neuroscience 接受了這篇文章。
光遺傳學(xué)的其他研究者
自從黑格曼等在2003年發(fā)表了光敏通道蛋白ChR1和ChR2，很多科學(xué)家都意識到這類光控通道蛋白有極大的應(yīng)用潛力。一場無形的競爭也在悄然展開。
美國底特律的韋恩州立大學(xué)華人神經(jīng)科學(xué)家潘卓華是一位視覺專家，他在2000年早期即構(gòu)想將光敏蛋白表達(dá)在盲人的眼內(nèi)，以代替視桿細(xì)胞和視錐細(xì)胞的缺失。
2003年ChR1和ChR2論文的發(fā)表，潘卓華敏銳地覺察到這可能就是他一直在尋找的光敏蛋白。
他與薩魯斯大學(xué)（Salus University）的 Alexander Dizhoor 教授合作，在神經(jīng)節(jié)細(xì)胞中表達(dá)ChR2。Dizhoor 教授的團(tuán)隊設(shè)計合成了光敏通道蛋白的DNA，并添加了示蹤的熒光蛋白——這與納格爾對ChR2的改良非常類似。同時，潘卓華使用病毒在細(xì)胞中表達(dá)ChR2，這與張鋒在代塞爾羅思實驗室的改進(jìn)也相似。
2004年7月，潘卓華將載有ChR2基因的病毒注入給小鼠，5周后他通過熒光蛋白確認(rèn)了ChR2在視網(wǎng)膜細(xì)胞上的表達(dá)。當(dāng)他打開照射燈時，插入視網(wǎng)膜的電極顯示了明顯的電活性。這顯然是個了不起的實驗，它第一次證明了ChR2在活體動物中的活性，證明表達(dá)視紫紅質(zhì)通道蛋白可以使的失明的大鼠重新感光——這有著極大的應(yīng)用價值，有可能成為治愈盲人的一種方法。
2004年11月25日，潘卓華和合作者將這些發(fā)現(xiàn)投稿給 Nature 雜志。與代塞爾羅思的文章遭遇一樣，Nature 建議將文章改投到旗下子刊 Nature Neuroscience。
不過，潘卓華的論文繼續(xù)被拒。2005年初，潘卓華將文章投到Journal of Neuroscience ，再次遭拒稿。
2005年5月，潘卓華在佛羅里達(dá)參加視覺與眼科學(xué)研究協(xié)會大會時，簡短報告了他的這項成果。當(dāng)時他的論文還沒有發(fā)表，這是該工作第一次公布于眾。
最后，潘卓華的論文幾經(jīng)周折，直到2006年4月在 Neuron 雜志發(fā)表 。不過，這篇文章所受的關(guān)注遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如代塞爾羅思等人在8個月前發(fā)表的論文。
2005年，日本的 Hiromo Yawo 實驗室和美國的凱斯西儲大學(xué)的林恩·蘭德梅賽（Lynn Landmesser）和 Stefan Herlitze 也發(fā)表了類似的結(jié)果，他們比代塞爾羅思等人等的文章晚了兩三個月。
一位長期關(guān)注光遺傳學(xué)的科學(xué)家評論說，代塞爾羅思和博伊登的文章幾乎直接提出了光遺傳學(xué)的概念，并予以了充分的證據(jù)支持，使得其作為一個能夠廣泛使用的潛在神經(jīng)科學(xué)工具而被神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域所快速的接受。相對來說，潘卓華的工作相對而言受眾更小，為大家接受驗證也需要時間，但他開創(chuàng)性地將ChR表達(dá)到視網(wǎng)膜細(xì)胞中用于治療，并且取得成功，是一項很了不起的工作；并且這也是第一次將ChR表達(dá)到活體動物中發(fā)揮治療作用。
科學(xué)的發(fā)展常常伴隨著科學(xué)家競爭，這是科學(xué)的常態(tài)。每一項科學(xué)成果的背后，故事主角們都有不同的悲喜。但無論結(jié)局如何，每一位探索在知識邊緣的科學(xué)家都值得我們深深的敬意。
光照使表達(dá)了Channelrhodopsin的神經(jīng)元放電
光遺傳學(xué)的發(fā)明，幾乎在一夜之間改變了神經(jīng)科學(xué)研究。
從線蟲到靈長類動物，人們在幾乎所有實驗動物中表達(dá)光敏感通道來實現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控神經(jīng)活動。通過在不同類型的神經(jīng)細(xì)胞中表達(dá)光敏感通道，人們可以用光控制小鼠的行為，控制它們的運(yùn)動，使它們產(chǎn)生虛擬的饑餓感或飽腹感，甚至在它們腦中用光寫入或抹去特定的記憶。
光遺傳學(xué)已經(jīng)成為神經(jīng)科學(xué)中證明因果性的關(guān)鍵手段。這一技術(shù)也為眾多醫(yī)學(xué)應(yīng)用開辟了道路?？茖W(xué)家們希望能利用光，給盲人提供基本視力，刺激患有帕金森病的患者的深部腦，甚至影響心律，以治療心力衰竭。
作為一項徹底改革了神經(jīng)科學(xué)發(fā)展的技術(shù)，光遺傳學(xué)也讓包括黑格曼、納格爾、班貝格、代塞爾羅思、博伊登在內(nèi)的科學(xué)家在過去幾年中屢獲殊榮，其中包括了2010年《科學(xué)》雜志十年最佳進(jìn)展，2013年的大腦獎，2015年的生命科學(xué)突破獎、2016年度科學(xué)突破獎、2019年的拉姆福德獎金和2020年的邵逸夫獎等。
回到故事最開始的時候，科學(xué)家們只是想知道單細(xì)胞藻類微小的秘密。彼時，沒有人會想到，那些努力向光游去的小綠藻，最終居然教會我們?nèi)绾胃膶懘竽X活動的秘訣，推動我們向解開大腦秘密前進(jìn)了一大步。
2005年，代塞爾羅思和博士后愛德華·博伊登（Edward Boyden）、學(xué)生張鋒等共同發(fā)表了一篇論文，首次利用通道視紫紅質(zhì)在神經(jīng)細(xì)胞上實現(xiàn)了毫秒級動作電位的控制。2006年，代塞爾羅思將這種方法命名為“光遺傳學(xué)”。他們的方法很快被廣泛應(yīng)用于生物學(xué)各個領(lǐng)域，使生物學(xué)家可以用光控制各種生命活動。
制版編輯 | 盧卡斯
