光遗传学技术调控PI3K/AKT信号通路及其细胞生理的应用研究

Optogenetics combines optical and genetic approaches to rapid and reversible activate cellular signaling molecules, and to regulate cell physiological activities. It has great promise in cell biology applications. In this proposed study, based on plant origin CRY2/CIBN optogenetic module, we seek to design a novel optogenetic control system that can be used in mammalian cells to specifically regulate PI3K and AKT signals. Given that PI3K/AKT plays an important role in diversity of cell physiology, we will combine optogenetics with fluorescence microscopy imaging, to dissect the detailed regulatory steps of PI3K and AKT in regulating GLUT4 translocation in adipocytes, and reveal their underlying regulatory mechanism. Furthermore, we will use FRAP technique to spatial activation of PI3K in part the cells, and study how PI3K signaling spatiotemporally control the dynamics of other regulatory molecules and regulate cell migration. The novel optogenetic control system we established in this study will great facilitate the investigation of other signaling pathways using optogenetic approaches, and study of the regulatory mechanism of other cell physiological activities that are modulated by PI3K/AKT signaling in the future.

光遗传学结合光学与遗传学的研究手段，实现对细胞内特定信号分子的快速与可逆性的人为激活，并控制细胞的生理活动，在细胞生物学的研究中有广阔的应用前景。本课题研究将基于植物光受体蛋白来源的CRY2/CIBN光控元件，研究开发哺乳动物细胞内PI3K/AKT信号转导通路的特异性光遗传学调控的新技术 。由于PI3K/AKT信号通路在诸多的细胞生理过程中发挥重要作用，本研究将结合光遗传学技术与荧光显微成像，通过精确剖析PI3K及AKT两个信号通路分子在调控脂肪细胞GLUT4囊泡膜转运过程中的控制位点，揭示两者作用的分子机制。研究还将应用 FRAP技术，实现PI3K信号分子的细胞局部区域的光调控，深入研究此信号通路在控制细胞迁移及其相关蛋白运动中的调节机制。本研究所建立的新的研究方法将为以后开展其他类似信号通路的光调控研究，以及更深入开展PI3K/AKT信号通路在其他细胞生理活动中的调控研究奠定基础。

光遗传学技术结合蛋白的遗传学表达与激光的光控和成像，可实现对细胞内特定信 号通路分子的快速激活与调控，在细胞生物学的研究中具有广阔的应用前景。本课题研究基于植物光受体蛋白来源的 CRY2/CIBN 光控元件，研究开发了哺乳动物细胞内PI3K/AKT信号转导通路光控激活的特异性光遗传学调控的新技术。在此基础上，本研究还结合光遗传学技术与荧光显微成像，通过激光人为的调控PI3K/AKT信号通路的激活来实现对细胞内囊泡运输的控制与肿瘤细胞的EMT的发生，深入揭示PI3K/AKT信号分子在GLUT4囊泡转运与肿瘤发生中的调控机制。本研究发现单纯的光控激活PI3K足够引起脂肪细胞中GLUT4囊泡的膜转运。AKT作为PI3K下游的重要调控因子，在GLUT4囊泡的转运中起了不可或缺的作用，然而细胞中仍然存在AKT非依赖性的信号通路，在胰岛素刺激下的GLUT4囊泡转运中发挥作用。此外，应用FRAP的激光定位激活，研究发现AKT除了调控GLUT4囊泡的胞内转运外，还能在空间上调控囊泡的分泌。这些研究成果为今后更深入研究GLUT4囊泡运输的调控及糖尿病疾病提供技术与理论基础。本研究还进一步将PI3K/AKT信号通路的光激活元件用于肿瘤细胞的研究中，揭示了PI3K信号通路在A549肺癌细胞的EMT发生过程中的重要作用。通过开发可控的LED光源阵列，实现了PI3K信号的定量操控以及EMT的诱导发生，为研究肿瘤细胞的EMT的发生机理奠定了科学基础。总之，本课题研究所建立的新的技术与研究方法将为以后开展其他类似信号通路的光调控研究，以及更深入开展PI3K/AKT信号通路在其他细胞生理活动中的调控研究打下基础。