神经元具有环境快速响应特性，其在体实时调控十分重要。但由于神经元的复杂环路及精细亚细胞结构，特异性的神经元调控极具挑战。光遗传学技术使神经元能够迅速对光信号产生响应，但现有技术作用对象为遗传编码的光敏蛋白，无法调控结构且生物功能多样的小分子。现阶段的小分子光调控神经元技术通过激发态光解去笼，其释放的活性小分子在照射区域内均匀分布，无法实现神经元调控需要的亚细胞特异性、投射特异性及细胞类型特异性（图1A）。

近日，中国科学院上海有机化学研究所陈以昀课题组与上海交通大学医学院徐天乐课题组/复旦大学脑科学转化研究院李伟广课题组合作，发展了遗传编码的光催化调控神经元技术。该技术通过生物正交光催化硼酸去笼反应，空间特异性的光控释放生物活性小分子，在活细胞、离体神经元和活体小鼠中首次实现了亚细胞特异性、投射特异性及细胞类型特异性的神经元光化学调控。活体小鼠内通过该技术特异性光控释放GABA(B)受体激动剂巴氯芬，首次揭示了Na_V1.8⁺神经元是外周GABA痒觉调控的关键作用细胞类型（ACS Cent. Sci. 2023, DOI: 10.1021/acscentsci.3c01351.）（图1B）。

图1 神经元光调控与遗传编码的小分子光催化调控技术

陈以昀课题组自2014年起发展了一系列基于有机硼酸的光催化与光化学反应（J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 2280; Angew. Chem., Int. Ed. 2015, 54, 1881; Chin. J. Chem. 2018, 36, 1209; J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 16237; Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202316481）。基于有机硼酸的优秀化学稳定性与独特生物相容性，他们发展了有机小分子染料的生物正交光催化脱硼羟基化去笼反应，首次在活细胞和神经元中实现了光催化释放生物活性小分子（Angew. Chem., Int. Ed. 2019, 58, 561），进而实现了活细胞内的有机小分子染料光催化叠氮标记蛋白质（JACS Au 2021, 1, 7, 1066）。基于有机小分子染料优异的光催化性质和生物相容性，他们还发展了小分子配体引导的蛋白光调控策略，实现了活细胞内源DNA烷基转移酶（hAGT）及基因编辑酶CRISPR/Cas9的光化学调控（Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202115472；Chin. J. Chem. 2023, 41, 3639）。

在上述工作基础上，陈以昀课题组设计合成了双功能配体-有机染料小分子BGFL，在活细胞内与SNAP-tag蛋白偶联，得到可遗传编码的杂合蛋白光催化剂SNAP-FL。该蛋白光催化剂SNAP-FL具有优秀的光催化性质与光化学稳定性，可以在体外及体内高效快速生成超氧自由基阴离子，促进脱硼羟基化反应释放生物活性小分子（图2A）。基于该杂合蛋白光催化剂的可遗传编码性，该技术在线粒体、细胞核、内质网及细胞质等亚细胞器均可实现空间特异性的光催化释放抗癌药物阿霉素，从而实现了亚细胞特异性的光调控蛋白质功能（图2B）。上述光催化小分子调控方法在离体神经元中，通过光催化释放线粒体解偶联剂DNP，实现了线粒体膜电位的靶向调控，并且与光遗传学联用实现了神经投射突触前GABA(B)受体的特异性光激活（图2C）。最终，通过绿光照射活体小鼠皮肤，首次实现了光催化释放巴氯芬有效缓解瘙痒，揭示了Na_V1.8⁺神经元是巴氯芬抑制痒觉传导的关键作用细胞类型（图2D）。

图2 遗传编码的光催化小分子调控多种细胞器及神经元功能

上述研究成果发表在ACS Central Science，其科学概念图被选为杂志正封面（Front Cover）。上海有机所/上海科技大学联合培养博士研究生曾凯星与上海交通大学医学院博士研究生焦志涵为共同第一作者，上海有机所陈以昀研究员、上海交通大学医学院徐天乐教授、复旦大学李伟广研究员为共同通讯作者。上述研究工作得到国家自然科学基金委重点项目、中国科学院创新交叉团队项目、上海市科委、上海交通大学医学院、生命过程小分子调控全国重点实验室的大力资助。

Genetically Encoded Photocatalysis Enables Spatially Restricted Optochemical Modulation of Neurons in Live Mice

Kaixing Zeng¹, Zhi-Han Jiao¹, Qin Jiang, Ru He, Yixin Zhang, Wei-Guang Li^*, Tian-Le Xu^*, Yiyun Chen^*

ACS Cent. Sci. 2023, DOI: 10.1021/acscentsci.3c01351.

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