本研究由Yi-Tsang Lee、Lei Guo、Tien-Hung Lan、Tatsuki Nonomura、Gan Liu、Guolin Ma、Rui Wang、Yun Huang和Yubin Zhou共同完成，论文题为"Engineering of photo-inducible binary interaction tools for biomedical applications"，于2025年7月在《Nature Communications》期刊上发表在线出版。

技术原理
01主流光控方法及其局限
当前主流光控系统主要基于光敏二聚化模块，包括蓝光响应的CRY2-CIB1、LOV2-Zdk1系统，紫外响应的UVR8-COP1系统，以及红光响应的PhyB-PIF系统。这些系统虽然广泛应用，但存在明显局限性：光敏蛋白尺寸较大（通常超过400个氨基酸），容易干扰目标蛋白功能；二聚化动力学较慢；不同系统间存在光谱串扰问题。特别是CRY2和LOV2系统在黑暗状态下常有基础二聚化活性，导致背景信号较高。

02PhoBIT系统的独特机制
PhoBIT系统创新性地利用大肠杆菌蛋白质降解机制中的ssrA-sspB配对系统。ssrA是一个仅含7个氨基酸的短肽标签，而sspB是其13kDa的结合蛋白。研究人员通过两种策略改造这一系统：PhoBIT1作为"光关"开关，将LOV2结构域插入sspB中，使光诱导的构象变化变构调节ssrA结合口袋，导致光刺激下的解离；PhoBIT2作为"光开"开关，将CRY2与优化的sspB突变体（A56F）融合，利用CRY2的光诱导寡聚化增强与突变ssrA（A2C）的结合。

该系统核心优势在于ssrA标签的极小尺寸（仅7个氨基酸），可插入大多数蛋白质而不影响其功能，同时保持低背景活性和高光诱导动态范围。通过深度突变扫描和结合亲和力优化，研究人员获得了背景相互作用最低、光诱导响应最强的突变组合。

重要发现
01光学调控机制的创新
PhoBIT系统的核心光学创新在于其独特的光控机制。PhoBIT1通过将LOV2结构域插入sspB的环区（特别是S5位点），实现了光依赖的变构调节。在黑暗状态下，LOV2保持sspB与ssrA的结合能力；蓝光照射后，LOV2的Jα螺旋构象变化导致ssrA结合口袋结构改变，引发解离。动力学分析显示其解离半衰期为8.5秒，再结合半衰期为28.1秒，表现出高度可逆性。

PhoBIT2则采用完全不同的光学机制：通过CRY2的光诱导寡聚化增强结合。研究人员对ssrA肽库进行深度突变扫描，筛选出140种变异体，最终确定A2C突变体与sspB-A56F组合具有最低背景和最高光诱导结合能力（9.9倍增加）。这种"光开"机制利用CRY2在蓝光下的快速寡聚化特性，将sspB突变体聚集到ssrA标签位置，显著增强结合亲和力。

钙成像技术揭示了PhoBIT2调控STIM1-ORAI通道的动力学过程。使用超灵敏基因编码钙指示剂NEMO，研究人员监测到光诱导钙内流的快速启动（半衰期0.4分钟）和关闭（半衰期2.9分钟）。此外，荧光漂白后恢复（FRAP）和单粒子追踪技术分析了蛋白质运动性和聚集状态，为机制理解提供了关键数据。

挑战与展望
PhoBIT技术虽然展现出巨大潜力，但其临床转化仍面临多重挑战。首先，蓝光组织穿透性有限，尽管本研究证明了在皮下移植瘤模型中的有效性，但对于深层组织应用仍需开发红光或近红外响应版本。其次，病毒递送系统的安全性和效率需要进一步优化，特别是体内靶向递送效率。第三，长期表达可能引发的免疫反应和毒性需要系统评估。此外，光控系统的时空精度虽然在细胞水平令人满意，但在整体动物水平需要更精确的光传递系统。未来研究方向应包括开发多色正交系统实现多重调控，优化光敏蛋白的动力学参数以适应不同应用场景，以及探索非病毒递送策略提高治疗安全性。同时，将PhoBIT技术与现有治疗手段（如化疗、免疫治疗）结合，开发联合治疗方案也是重要方向。最终，通过进一步理解光控机制的分子细节和优化系统性能，PhoBIT技术有望成为精准医疗领域的颠覆性工具，为癌症、神经疾病和免疫 disorders提供全新的治疗范式。

论文信息
声明：本文仅用作学术目的。
Lee YT, Guo L, Lan TH, Nonomura T, Liu G, Ma G, Wang R, Huang Y, Zhou Y. Engineering of photo-inducible binary interaction tools for biomedical applications. Nat Commun. 2025 Jul 28;16(1):6940.

DOI:10.1038/s41467-025-61710-4.