利用 CarGAP 解碼细胞间的「悄悄话」

化学与生物工程学系孙飞教授带领团队研发出突破性技术,让我们能够一窥细胞如何「交流」。

(From left) PhD students Cui Duo, Huang Xinyu, and Prof. Sun Fei at an international conference in Sanya, Hainan Island on “ChemoRevolution: from Enabling Tools to Enlightening Discoveries."

(左起)博士生崔舵、黄鑫彧及孙飞教授在海南三亚市出席「化学生物变革创新会议︰开创新工具,引领新发现」国际大会。

PhD student Cui Duo (left) and Prof. Sun Fei (right) attending the “PhD Student Forum on Cutting-Edge Advances in Chemistry – Polymer Division” at Peking University, Beijing.

博士生崔舵(左)与孙飞教授(右)于北京大学出席「Cutting-Edge Advances in Chemistry – Polymer Division」博士生论坛。

Boundless:孙教授,感谢您今天接受我们的访问。您的研究围绕人体中的「间隙连接」这一概念。什么是间隙连接?为甚么即使像我们这些非科学家背景的人士,也应该关注这项研究呢?

孙教授:你可以把「间隙连接」想像成细胞之间的微型手机。它们是相邻细胞之间极微小的通道,让电讯号和小分子能瞬间传递。这种快速沟通对维持生命至关重要:它确保我们的心跳节律同步、帮助大脑处理讯息,并促进组织的生长与愈合。如果这些通道「断线」或功能失常,可能会引发危及生命的疾病,例如心律不整、神经系统疾病,甚至是癌症。因此,了解间隙连接正是了解健康的关键。

Boundless:那研究这些通道的过程困难吗?

孙教授:是的,因为我们一直缺乏精准的工具。传统的方法过于粗暴,例如用基因手段直接删除间隙连接蛋白,但这会产生严重的副作用,并损害其他细胞活动。这是因为这些蛋白身兼多职:它们既是沟通通道,也像黏著剂一样负责细胞间的物理连接。我们需要一种方法,能在不伤及细胞、又不破坏其结构的情况下,精确地让特定细胞的通道「静音」。这正是 CarGAP 要解决的挑战。

Boundless:CarGAP到底是什么?它的运作原理是怎样的?

孙教授:CarGAP 就好像一个分子「遥控器」,它巧妙地结合了两个常见元素:维生素B12分子及低强度的绿光。我们首先在间隙连接蛋白上,装附一种对光敏感的蛋白。

当我们加入维生素B12时,通道就会关闭;当我们照射柔和的绿光时,通道就会重新开启。这个方法既可逆转,也十分精准,而且使用的光线非常微弱,所以不会伤害细胞或组织。

Boundless:CarGAP与现有会对光或分子作出反应的基因工程蛋白相比,有甚么主要差异?

孙教授:CarGAP的独特之处在于,它是首以基因编码方式,能在体内直接且可逆地控制间隙连接通道开闭的工具,并且在时间与空间上都具备高度精准的调控能力。与其他仅对光作出反应的蛋白不同,CarGAP把小分子(即维生素B12 )与低强度绿光结合於单一工程化蛋白之中,实现真正的双重感应。由於 维生素B12 是一种营养素而非讯号分子,其副作用极低,甚至能穿越血脑屏障。总括而言,CarGAP 是一种非常安全、温和的工具。

Boundless:你们已经在果蝇卵巢中试用了CarGAP,从中发现了什么?

孙教授:我们在果蝇的卵巢实验中,成功利用 CarGAP可逆地控制干细胞与支持性微环境细胞之间的通讯开关,并揭示这些通道如何传递讯号分子,进而引导生殖细胞的发育。最关键的突破是,CarGAP 让我们能只关掉通讯功能,同时保留蛋白质原本的支撑结构。这项新技术突破让我们得以发现间隙连接在干细胞调控中的细致功能,揭开了过去难以察觉的调控机制。

Boundless:这项研究对未来有哪些更深远的影响?

孙教授:由於几乎所有细胞生物的组织和器官中都含有间隙连接,CarGAP 可以帮助研究人员更深入地了解心脏功能、大脑回路、免疫反应、癌症演变以及组织工程。未来,我们有望以前所未有的精准度,调控实验室培养器官中的细胞通讯,甚至利用它来筛选新药,寻找能调节通道讯号的药物。长远来看,这有助加速开发更聪明、更精准的治疗方案,对抗因细胞通讯失灵引起的疾病。

Boundless:团队下一步会研究什么?

孙教授:我们正尝试把 CarGAP应用到更复杂的生理环境中,例如神经回路和视网膜,并优化其传递方式,探索更多治疗可能性。同时,我们希望把这套工具分享并推广至全球科研界,让CarGAP 成为研究细胞如何构建、维护和修复生命系统的标准工具。

Boundless:谢谢孙教授与我们分享这项令人振奋的研究。其研究论文题为 〈Controllable gap junctions by vitamin B12 and light〉

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