胚胎發育和癌癥醫療新進展:藍光激活胚胎信號通路
伊利諾伊州的研究人員開發了一種方法，使膜結合受體對光產生反應，觸發 Wnt 通路，這在胚胎發育和癌癥中很重要。圖片由張凱提供
藍光正在闡明對胚胎發育、組織維持和癌癥發生的關鍵信號通路的新認識。
伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的研究人員開發了一種使用藍光激活青蛙胚胎中 Wnt（發音為“wint”）信號通路的方法。研究小組表示，該通路在動物和人類發育中發揮著廣泛的作用，用光調節它的能力將使研究人員能夠更好地研究它的各種功能。
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在生物化學教授張凱和比較生物科學教授楊靖的帶領下，研究團隊在Journal of Molecular Biology上發表了研究成果，并被選為專題交流，占論文的前1%。
Wnt通路被細胞表面的受體激活，觸發細胞內的級聯反應。張說，太多或太少的信號都可能是災難性的，這使得使用刺激細胞表面受體的標準技術研究該途徑變得非常困難。
“在胚胎發育過程中，Wnt 調節頭部、脊髓和眼睛等許多器官的發育。它還在成人的許多組織中維持干細胞：雖然 Wnt 信號不足會導致組織修復失敗，但 Wnt 信號升高可能會導致癌癥，”楊說。
張說，很難通過調節這些途徑的標準方法（例如化學刺激）實現必要的平衡。為了解決這個問題，研究人員設計了受體蛋白以響應藍光。通過這種方法，他們可以通過調節光的強度和持續時間來微調 Wnt 水平。
“光作為一種治療策略已被用于光動力療法，具有生物相容性和暴露區域無殘留效應的優點。然而，大多數光動力療法通常使用光來產生高能化學物質——例如活性氧——而不區分正常組織和患病組織，因此無法進行靶向治療，”張說。“在我們的工作中，我們已經證明藍光可以激活青蛙胚胎不同身體部位內的信號通路。我們設想對細胞功能進行空間定義的刺激可以減輕脫靶毒性的挑戰。”
研究人員展示了他們的技術，并通過促進青蛙胚胎的脊髓和頭部發育來驗證其可調性和敏感性。他們假設他們的技術也可以應用于其他已被證明難以靶向的膜結合受體，以及其他共享 Wnt 通路的動物，從而更好地了解這些通路如何調節發育——以及當它們結束時會發生什么- 或刺激不足。
“隨著我們繼續擴展我們的光敏系統以覆蓋胚胎發育的其他重要信號通路，我們將為發育生物學界提供一套有價值的工具，幫助他們確定許多發育過程背后的信號傳導結果，”楊說。
研究人員還希望他們用于研究 Wnt 的基于光的技術能夠照亮人體組織中的組織修復和癌癥研究。
“由于癌癥通常涉及過度激活的信號傳導，我們設想光敏 Wnt 激活劑可用于研究活細胞中的癌癥進展，”張說。“結合活細胞成像，我們將能夠定量確定可以將正常細胞轉化為癌細胞的信號閾值，從而為未來精準醫學中的靶向特異性治療開發提供主要數據。”
參考文獻：“非洲爪蟾胚胎發育過程中典型 Wnt 信號通路的光遺傳學控制”，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
美國國立衛生研究院內的國家普通醫學科學研究所和國家環境健康科學研究所支持這項工作。