光遺傳學(xué)會不會獲諾獎？
北京時間2021年9月25日零點，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，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制研究，而且把ChR2首次在人的細(xì)胞（HEK）中表達。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)表達在哺乳動物細(xì)胞中，或者將哺乳動物的離子通道表達的果蠅的神經(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)胞進行遙控，但米森伯克缺乏一種強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)元中表達機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。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)元中表達的項目。
2004年8月4日的凌晨1點，博伊登在錢永佑的實驗室里用藍光照射表達了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。他改進了博伊登的表達體系，使用慢病毒在神經(jīng)元中表達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ChR2。Dizhoor 教授的團隊設(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ChR2，這與張鋒在代塞爾羅思實驗室的改進也相似。
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。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)胞中表達光敏感通道，人們可以用光控制小鼠的行為，控制它們的運動，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
