首次成功利用光遗传学治疗不育

　　目前，来自欧洲高级研究中心的科学家们，首次成功地通过光遗传学来控制精子的功能。他们将一种用于cAMP合成的光激活酶，插入缺乏内源酶的小鼠精子。这些小鼠的精子通常是非运动性的，因此小鼠是不育的。用蓝光刺激这些精子之后，它们能够产生cAMP，开始再次游动，甚至能够使卵细胞受精。利用光遗传学技术，科学家现在不仅能够控制离子流入神经细胞，从而控制它们的活性，而且还能控制其他类型细胞中的信号通路。相关研究结果发表在最近的国际著名学术期刊《eLife》。

　　用光来控制细胞，一直以来都是科学家的一个夙愿。光可以被迅速打开和关闭，并且不会干扰自然的细胞过程。实现这一目标的最大障碍是，找到一种方法，为细胞提供“光开关”。在2002年，三位德国科学家——Peter Hegemann、Ernst Bamberg和Georg Nagel证明，一种单细胞绿藻的光敏膜蛋白是离子通道，并将它们称为channelrhodopsins。Channelrhodopsins可以通过基因工程方法被插入到细胞中，从而使我们有可能用光来控制细胞。这一发现建立了一个新的研究领域，被称为光遗传学。

　　光遗传学主要是用光控制含有channelrhodopsin的神经细胞的电活动。同时，光遗传学“工具箱”一直不断扩大，因此现在有可能打开或关闭细胞中信使介导的信号通路。一种重要的细胞信使是磷酸腺苷AMP（cAMP），它控制着大范围的功能，例如心率、嗅觉、学习、记忆形成和卵细胞受精。这种物质是通过称为腺苷酸环化酶的酶而合成的。

　　在2002年，第一个光激活的腺苷酸环化酶（PAC，光激活的腺苷酸环化酶）被发现。从那时起，研究人员已经遇到了更多这样的酶。最突出的例子是bPAC，来自土壤细菌的一个光门控腺苷酸环化酶，是由柏林洪堡特大学的Peter Hegemann发现的。

　　欧洲高级研究中心的科学家们与Peter Hegemann合作，在Benjamin Kaupp和Dagmar Wachten的带领下，制备了一种转基因小鼠，它的精子含有光激活腺苷酸环化酶bPAC。卵细胞的受精与cAMP的合成密切相关。缺乏内源性腺苷酸环化酶的精子不能游动：小鼠是不育的。然而，如果用蓝光刺激bPAC精子，cAMP浓度就会增加，精子游动地更快，因为精子尾部跳动的更快。

　　然而，研究人员的目标不仅是用光控制精子的游泳运动；他们还想用光来调节受精作用。因此，他们将bPAC插入缺乏用于cAMP生产的内源性酶的小鼠突变体精子中。这些小鼠的精子是不能游动的，雄性小鼠是不育的。然而，用蓝光进行刺激之后，精子开始再次游动，甚至可以使卵细胞受精。因此，我们有可能用光控制一些像受精这样基本的事情。因此可以说，光遗传学征服了神经科学以外的另一个领域。