利用飞秒激光调控细胞钙离子水平实现调节基因表达的研究

钙离子是细胞内重要的信号物质，不仅调节细胞的生长、分化、凋亡等过程，而且对基因表达有重要影响。然而，受限于传统的生化方法，细胞核内钙离子信号的产生，以及其如何调节基因表达的过程依然尚未清楚。光子晶体光纤飞秒激光技术在生物研究领域展现了一系列独特的优势，特别是飞秒激光超短的脉冲宽度、超高的峰值功率，使其可以在亚微米的空间尺度和亚皮秒的时间尺度上对细胞内任意一点进行操作而不造成伤害。因此本项目提出，使用光子晶体光纤飞秒激光精确调控细胞内的钙离子水平，在活体细胞的环境下研究细胞核钙离子信号的产生和对细胞质的影响。通过调控细胞任意区域钙离子来研究其对于基因表达、相关蛋白质和受体产生、mRNA动态过程等过程的影响，以此阐明钙离子信号是如何产生和影响基因表达的，以及钙离子对mRNA定位和输运过程的调节。研究结果将为钙离子调节基因表达的原理提供新的理论和实验支持，对基因工程和癌症治疗具有重要的意义。

本项目“利用飞秒激光调控细胞钙离子水平实现调节基因表达的研究”在基金委的资助下，从2012年起至今，完成了预期目标，取得了很好的科研成果。项目负责人首次发现紧致聚焦的飞秒激光对于细胞内的钙存储具有非常精确的调节效果，在分子生物学的水平上阐明了飞秒激光对细胞钙存储的调节机制，并深入研究了其下游活性氧自由基的变化情况，利用细胞内氧化性的变化探讨了绿色荧光蛋白的红色荧光转换，揭示了细胞内荧光漂白的另一种新机制。同时，发现钙信号在细胞间的传播过程和钙振荡过程，这对于细胞之间的通信和信号传导具有重要意义。以第一作者论文发表于Nature Photonics, Applied Physics Letters。并得到Nature Photonics的长篇报道评论。在此基础上，使用飞秒激光通过对钙信号的调节，直接控制细胞内基因的表达，并把这种技术应用于精确诱导干细胞的分化，这使得人类首次可以靶向地对任意单细胞控制其基因表达，而且不需要任何接触式的刺激或转基因、生化处理，为深入研究基因表达的过程，以及一些重大疾病的治疗提供了可能，论文以通信作者发表于Scientific Reports，实现了项目目标。此外，申请人使用飞秒激光精确地激发了细胞内reactive oxygen species (ROS)，研究了其产生机理，释放过程，以及细胞的应激反应，探讨了细胞对光损伤的生物机制，并尝试调控其下游信号通路，研究了包括自噬在内的相应的细胞过程，相关论文以通信作者发表于Applied Physics Letters。