胚胎发育和癌症医疗新进展:蓝光激活胚胎信号通路
伊利诺伊州的研究人员开发了一种方法，使膜结合受体对光产生反应，触发 Wnt 通路，这在胚胎发育和癌症中很重要。图片由张凯提供
蓝光正在阐明对胚胎发育、组织维持和癌症发生的关键信号通路的新认识。
伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究人员开发了一种使用蓝光激活青蛙胚胎中 Wnt（发音为“wint”）信号通路的方法。研究小组表示，该通路在动物和人类发育中发挥着广泛的作用，用光调节它的能力将使研究人员能够更好地研究它的各种功能。
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在生物化学教授张凯和比较生物科学教授杨靖的带领下，研究团队在Journal of Molecular Biology上发表了研究成果，并被选为专题交流，占论文的前1%。
Wnt通路被细胞表面的受体激活，触发细胞内的级联反应。张说，太多或太少的信号都可能是灾难性的，这使得使用刺激细胞表面受体的标准技术研究该途径变得非常困难。
“在胚胎发育过程中，Wnt 调节头部、脊髓和眼睛等许多器官的发育。它还在成人的许多组织中维持干细胞：虽然 Wnt 信号不足会导致组织修复失败，但 Wnt 信号升高可能会导致癌症，”杨说。
张说，很难通过调节这些途径的标准方法（例如化学刺激）实现必要的平衡。为了解决这个问题，研究人员设计了受体蛋白以响应蓝光。通过这种方法，他们可以通过调节光的强度和持续时间来微调 Wnt 水平。
“光作为一种治疗策略已被用于光动力疗法，具有生物相容性和暴露区域无残留效应的优点。然而，大多数光动力疗法通常使用光来产生高能化学物质——例如活性氧——而不区分正常组织和患病组织，因此无法进行靶向治疗，”张说。“在我们的工作中，我们已经证明蓝光可以激活青蛙胚胎不同身体部位内的信号通路。我们设想对细胞功能进行空间定义的刺激可以减轻脱靶毒性的挑战。”
研究人员展示了他们的技术，并通过促进青蛙胚胎的脊髓和头部发育来验证其可调性和敏感性。他们假设他们的技术也可以应用于其他已被证明难以靶向的膜结合受体，以及其他共享 Wnt 通路的动物，从而更好地了解这些通路如何调节发育——以及当它们结束时会发生什么- 或刺激不足。
“随着我们继续扩展我们的光敏系统以覆盖胚胎发育的其他重要信号通路，我们将为发育生物学界提供一套有价值的工具，帮助他们确定许多发育过程背后的信号传导结果，”杨说。
研究人员还希望他们用于研究 Wnt 的基于光的技术能够照亮人体组织中的组织修复和癌症研究。
“由于癌症通常涉及过度激活的信号传导，我们设想光敏 Wnt 激活剂可用于研究活细胞中的癌症进展，”张说。“结合活细胞成像，我们将能够定量确定可以将正常细胞转化为癌细胞的信号阈值，从而为未来精准医学中的靶向特异性治疗开发提供主要数据。”
参考文献：“非洲爪蟾胚胎发育过程中典型 Wnt 信号通路的光遗传学控制”，作者：Vishnu V. Krishnamurthy、Hyojeong Hwang、Jia Fu、Jing Yang 和 Kai Zhang，2021 年 5 月 19 日，Journal of Molecular Biology。
DOI: 10.1016/j.jmb.2021.167050
美国国立卫生研究院内的国家普通医学科学研究所和国家环境健康科学研究所支持这项工作。