光遗传学指导组织折叠的例子。第一幅图像显示的是经照射后10分钟的胚胎；第三幅图像显示的是经照射后13分钟的胚胎：光活化细胞向内折叠并因此向下移动，形成沟槽。图片来源：Stefano De Renzis /欧洲分子生物学实验室（EMBL）。

光遗传学是一种相对较新的生物技术，它使用光来控制生物组织中的细胞行为，这些细胞经过遗传修饰（使用蛋白质）变得对光敏感。欧洲分子生物学实验室的研究人员现在已经使用这种技术首次在活胚胎中诱导组织折叠和成形（形态形成）。这项工作可能对组织工程和再生医学产生巨大影响。

在他们的研究工作中，由Stefano de Renzis领导的研究人员利用光遗传学重建了上皮折叠过程。这是人体发育的基本过程，其中细胞向内移动并折叠到胚胎中（称为内陷的过程），最终产生内部组织。他们利用光敏蛋白质异二聚体化系统，使它们能够控制特定的蛋白质，当它存在于质膜时会触发一个被称为磷酸化的过程并激活一种叫做mysosin-II的分子马达。当这种分子马达被激活时，将拉动皮质肌动蛋白丝并使质膜收缩。

Rho信号

de Renzis解释称：“我们发现的对光敏感的蛋白质是RhoGEF2酶，能够激活小GTP酶Rho1，然后Rho1激活信号级联并激活分子马达myosin-II。我们采用了一种称为双光子照明的技术，这种技术非常精确，因为我们能够激活飞升体积大小的蛋白质。”

“令人惊讶的是，我们发现我们能够通过简单激活Rho信号和顶端收缩来诱导通常不会经历这一过程的组织内陷，Rho信号实际上将特定的化学输入转化为机械力，能够控制这种信号通路并诱导活胚胎的形态形成，这对我们而言真是一种新奇的发现。同样有趣的是，我们能够通过调节光的频率和功率，使细胞和组织以不同的方式响应并形成各种形状。这让我们感觉完全控制了细胞的形态形成过程。到现在为止，我们‘揭示’了胚胎的行为，但现在看来我们实际上能够开始引导它的形态形成过程。”

合成胚胎

研究人员使用果蝇进行实验，但de Renzis表示，本研究中描述的技术也能够应用于其他生物甚至体外干细胞培养。“在这种情况下，光遗传学可能是一种重建和指导组织发育的理想选择，并可用于在再生医学中重建人造组织。”

该团队正专注于重建“突变”胚胎中的胚胎发育，因为这些胚胎在一般情况下不会经历形态形成过程。de Renzis透露：“从长远来看，我们想完成合成胚胎，以及设计出能够完全指导胚胎发育的系统。”

来源： https://physicsworld.com/a/optogenetics-guides-embryo-morphogenesis/

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