视黄醛

光可被细菌、藻类等低等生命和人类等高等动物通过视紫红质系统而感知。20世纪70年代后，几种细菌和藻类通道视紫红质的发现为光控系统的诞生奠定了基础。光遗传学最初由米森伯克于2002年首次实现并于2005年由迪塞罗斯（也译作代塞尔罗斯）和博伊登进一步完善，其应用极大地增强了对大脑功能的理解。 光遗传学可使科学家借助光来精确开闭特异神经元从而达到操纵神经元活性和动物行为的目的。光遗传学技术已被证明是在细胞和系统层面研究健康和病理大脑活性的一个非常强大且有用的工具。文章系统介绍了光遗传学诞生的历史背景、重大事件、发展过程、应用领域及重要价值等。 光对生命具有举足轻重的地位，“万物生长靠太阳”。对大部分植物而言，它们借助光合作用合成营养物质并释放出氧气，而动物则依靠这些营养物质和氧来维持生存。此外，光还可以指导细菌和植物的向光性，控制植物生长和开花时间。 对于人类和其他动物而言，借助光来观察和感知这个 “光明” 世界。该过程由 “眼睛” 完成，称为视觉。大部分视觉健康的人都可通过眼睛清晰地观察到这个世界，看到周围的花花草草和五光十色的世界。那么，我们是如何观察到这些事物的呢？文艺复兴后，人们对光的本质进行探索，从而对光的成像机制有了新认识，自然对视觉形成机制也产生浓厚兴趣。 视紫红质 视觉研究可追溯到18世纪。荷兰科学家列文虎克（Antonie Philips van Leeuwenhoek）借助显微镜观察眼视网膜结构，鉴定出视网膜色素上皮细胞（retinal pigment epithelium，RPE）、视杆细胞和视锥细胞等，并推测这些细胞与视觉形成相关。1851年，德国解剖学和生理学家缪勒（Heinrich Müller，1820—1864）首次报道视网膜视杆细胞显红色这一现象 [1]。遗憾的是，缪勒错误地认为红色由血液造成。尽管如此，缪勒仍被看作视觉生理研究的先驱。缪勒在视觉生物学领域作出诸多贡献，如首次描述视网膜神经胶质细胞，这类细胞也因此获名“缪勒细胞”。 博尔（Franz Boll，1849—1879）是一位德国生理学家，对视觉形成具有浓厚兴趣。1876年11月，博尔也观察到红色视杆细胞，并认定红色源于其含有一类特殊物质，纠正了缪勒早期的错误。博尔还发现视杆细胞的红色受光影响，光照可导致红色褪去，而在暗处又重新恢复，进一步说明红色物质与视觉形成相关。遗憾的是，博尔的早逝（年仅30岁）使研究没有进一步开展。 1877年1月，博尔的同胞、另一位德国著名生理学家屈内（Wilhelm Friedrich Kühne，1837—1900）进一步纠正博尔的不足，认定视网膜感光物质应为紫红色，并创造 “视紫红质（rhodopsin）” 一词。屈内还取得另一项重大发现，即胆酸可使视杆细胞内的视紫红质释放到溶液里，并基于这一原理首次从牛视网膜完成视紫红质的纯化 [2]，屈内也因此成为视觉生理领域的奠基人之一（图1）。虽然已确定视紫红质参与视觉形成，但具体分子机制仍不清晰，直到20世纪30年代才有突破。图1 视紫红质的发现 视黄醛循环 1931 年， 美国眼科专家尤德金（Arthur Yudkin，1892—1957）开始对视网膜成分进行分析，发现其含有一种维生素A样物质。其实，人们很早就知道维生素A缺乏可影响视觉形成，最常见的一种疾病叫夜盲症，但对维生素A如何参与视觉却知之甚少。 1932 年， 美国生理学家瓦尔德（George Wald， 1906—1997）来到德国瓦伯格（Otto Heinrich Warburg，1931年诺贝尔生理学或医学奖获得者）实验室开始全面研究视紫红质。瓦尔德首先借助光谱分析法证明青蛙、绵羊、牛等完整视网膜中存在维生素A，接着使用氯仿提纯视紫红质，化学显色反应表明所含物质与维生素A非常相似。 为进一步证实结论，瓦尔德加入瑞士著名科学家卡雷尔（Paul Karrer，1937年诺贝尔化学奖获得者）的实验室，而卡雷尔分离并确定了维生素A的结构。经过3个月研究，瓦尔德最终确定视紫红质中确实含有维生素A，从而表明视紫红质包含两部分：视蛋白（opsin）和维生素A [3]。随后，瓦尔德又加入德国海德堡迈耶霍夫（Otto Fritz Meyerhof，1922年诺贝尔生理学或医学奖获得者）实验室继续开展视觉形成研究。 一次偶然事件为研究带来重大契机！当时正逢假期，许多实验室人员都去度假，恰在此时运抵300只青蛙。实验室助理原本想丢弃，而瓦尔德则主动要求留下来用作实验材料。瓦尔德从青蛙视网膜提取到足够量的视紫红质，进一步分析后惊奇地发现所含的维生素A与卡雷尔所得维生素A尽管大部分性质相似，但仍有些许差异，因此将这种物质重新命名为视网膜色素（retinene）。瓦尔德还发现视网膜色素与维生素A之间可发生转变，并通过后来详细的结构分析确定了两者间的差异，因此视网膜色素更名为视黄醛，而维生素A则称为视黄醇 [4]。 20世纪50年代，瓦尔德和同事经过近20年探索，最终解析出视觉形成的 “视黄醛循环” 机制：静息状态下，视杆细胞内视蛋白与11-顺视黄醛结合形成视紫红质；光线照射可使11-顺视黄醛发生异构化转变为全反式视黄醛，从而与视蛋白分离，这个过程激活视蛋白，启动下游信号转导最终到达大脑视觉中心；全反式视黄醛可被运输到视网膜色素上皮细胞内经过几步化学反应重新生成11-顺视黄醛；11-顺视黄醛回到视杆细胞再次与视蛋白结合形成视紫红质，从而完成一次视觉感知过程（图2）。瓦尔德的发现很好地诠释了视黄醛参与视觉形成的机制，因此他分享了1967年诺贝尔生理学或医学奖。图2 瓦尔德与视黄醛循环 后续研究还揭示了视蛋白作用机制。视蛋白是一种G-蛋白偶联受体（G protein coupled receptor，GPCR）。光通过改变视黄醛结构而激活视蛋白后，可进一步使异三聚体G蛋白激活，从而使磷酸二脂酶活化，催化cGMP水解为5’-GMP而减少cGMP含量；细胞内受cGMP调控的离子通道关闭，导致细胞膜电位出现变化，最终传导至视觉中心而实现光的感知。 从这个过程可以看出，哺乳动物视紫红质的作用机制较为复杂，作为机体视觉感知过程尚可接受，如果将它们应用到其他系统则困难重重，因此有必要寻找更简单的感光系统 [5]。 细菌感光 最初认为只有高等动物才存在视觉系统，但这一观念在20世纪60年代发生改变。1967年，德裔美国生理学家斯托克尼乌斯（Walther Stoeckenius，1921—2013）成为加州大学旧金山分校的教授，重点研究生物膜（如红细胞膜和线粒体膜）结构 [5]。由于生物膜材料获取比较困难，具有电子显微镜背景的斯托克尼乌斯决定用生物化学方法研究盐生盐杆菌（Halobacterium halobium）细胞膜组成。随后两位新同事的到来壮大了实验室的力量。 厄斯特黑尔特（Dieter Oesterhelt，也译作奥斯特黑尔特）是一位训练有素的德国化学家，跟随吕南（Feodor Lynen，1964年诺贝尔生理学或医学奖获得者）获得博士学位，由于学术休假的缘故来到美国；布劳罗克（Allen Blaurock）是一位刚毕业的英国生物物理学家，原来在国王学院威尔金斯（Maurice Wilkin，1962年诺贝尔生理学或医学奖获得者）实验室从事X射线衍射研究 [6]。 厄斯特黑尔特和布劳罗克借助X射线衍射技术观测细菌细胞膜紫色组分时，意外观察到一种清晰的衍射图像，说明其含有一种高度有序的生物分子。厄斯特黑尔特还观察到紫色物质在添加有机溶剂后颜色变黄。此时，布劳罗克回忆起在国王学院研究青蛙视网膜过程中也观察到类似的颜色变化，这一提示促使厄斯特黑尔特大胆假设该物质可能也是视紫红质。为证实这一假说，首先需解答的问题是其含不含视黄醛。 从细菌中寻找视黄醛这一近乎疯狂的想法促使厄斯特黑尔特立即启动验证工作。借鉴青蛙视紫红质的研究方法，厄斯特黑尔特发现细菌的紫色物质具有类似的物理和化学性质，并且还含有视黄醛。基于这些特性，厄斯特黑尔特和斯托克尼乌斯于1971年确定这是一种新型视紫红质，根据来源将其命名为细菌视紫红质（bacteriorhodopsin，BR）（图3）[7]。图3 细菌视紫红质 斯托克尼乌斯经过进一步研究后发现，细菌视紫红质是一种光依赖的离子通道。更大的突破在1975年，英国剑桥大学分子生物学实验室的亨德森（Richard Henderson，2017年诺贝尔化学奖获得者）解析了细菌视紫红质的三维结构，从而对视紫红质的作用有了更深入的认识。 1972年，重组DNA技术的发明为生命科学带来一场革命，同时也积极推动了细菌视紫红质研究的发展。研究人员将细菌视紫红质转入宿主细胞，结果发现光照可引起氢离子外流，从而证明其为一种光控的氢离子通道。1977年，研究人员在细菌中又发现另一种视紫红质——卤视紫红质（halorhodopsin），后续证明其介导氯离子细胞内流 [8]。 一系列的研究表明，即使简单如细菌这样的单细胞生物也存在 “视觉系统”，标志着一个新领域——低等生物视紫红质的诞生，从而促使科学家去寻找其他视紫红质。 藻类趋光 班贝格（Ernst Bamberg）是一位德国生物物理学家，从20世纪70年代开始研究细菌视紫红质的生物学功能，并利用体外实验证实BR是一种光激活氢离子通道。随着基因工程技术的发展和完善，生命科学的研究模式发生根本性改变，膜蛋白研究不再需要繁琐困难的提取过程，只需将外源基因在特定宿主细胞表达即可。 90年代，已加入德国法兰克福马普研究所的班贝格与从美国回来不久的德国电生理学家纳格尔（Georg Nagel）决定合作，共同研究细菌视紫红质在完整细胞中的生物功能。1995年，他们合作将细菌视紫红质基因成功转入非洲爪蟾卵母细胞，进一步精确证实光激活质子泵的电压依赖性 [9]。2001年，他们进一步在非洲爪蟾卵母细胞中证实卤视紫红质是一种氯离子通道（图4）。班贝格与纳格尔的合作一方面建立了视紫红质功能研究平台，另一方面也初显光遗传学雏形，即将外源视紫红质在靶细胞表达。图4 藻类视紫红质 19世纪，绿藻（Chlamydomonas）等藻类就被发现具有向光性和受光调控的特性，但对这些现象背后的原因知之甚少。直到20世纪80年代，大量事实表明藻类也长 “眼睛”，即细胞膜存在感光物质，称为 “光受体”。 80年代初，德国生物物理学家赫格曼（Peter Hegemann）在博士就读期间就决定研究光受体。赫格曼和学生以莱茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）为材料，借助电生理实验表明光的确可诱导藻类细胞产生电流 [10]。赫格曼决定采用生物化学方法将光受体蛋白纯化后研究其性质。遗憾的是，十余年辛苦努力最终以失败告终。根本原因在于光受体是一种膜蛋白，含量低、稳定性差且异质性高，这些都是蛋白质纯化的大忌。赫格曼不得不转换研究思路来解决这个难题。 2001年，绿藻基因组测序的完成为问题的解决带来转机。赫格曼通过全面搜索和比对绿藻基因组数据库，从中发现两个候选基因与细菌视紫红质具有较高同源性。 为加快研究进程，赫格曼决定寻求合作。他在获悉纳格尔的研究工作后，积极沟通并与其达成合作协议。赫格曼小组负责克隆两种绿藻视紫红质候选基因，并将其送给纳格尔开展功能研究；纳格尔则将基因转入人肾胚细胞HEK293并实现正确表达。功能研究表明，它们的活性均受光调控，并且介导阳离子如钠离子、钙离子等的摄入（图4），因此将其分别命名为通道视紫红质（channelrhodpsin，ChR）1和2 [11-12]。与ChR1相比，ChR2光激活时间更短，且离子通透性更强，因此更适合于研究。更为重要的是，赫格曼还推测这些通道视紫红质不仅可在普通细胞表达，而且也可在神经元中表达并影响电生理活性。这一论断直接催生了光遗传学。 至此，研究人员已经鉴定出三类光控视紫红质，分别是细菌视紫红质（介导氢离子输出）、通道视紫红质（介导阳离子输入）和卤视紫红质（介导氯离子输入）。它们在神经功能研究方面具有何种应用价值呢？这要从神经兴奋说起。 神经兴奋 大脑是神经系统的中枢，是机体最复杂和最神秘的器官。知觉、运动、兴奋、情感、语言、学习和记忆等过程基本都在大脑特异区域完成。大脑由上百亿神经元（亦称神经细胞）构成，这些神经元之间通过特定方式实现彼此间交流，以达到协调控制机体各种行为的目的。神经元活性受电信号影响。 正常情况下，神经元细胞膜内外两侧阴阳离子分布不均匀（这种现象称为极性）：膜内钾离子浓度远高于膜外，膜外钠离子浓度又远高于膜内，最终形成一个外正内负的状态。未受刺激时（静息状态），规定膜外电位为0，则哺乳动物神经元膜内电位为负值，约-70mV，称为静息电位；外界刺激可导致离子通道打开，由于离子移动而引起膜两侧离子浓度发生变化，电位差也随之改变。如果-70mV向0方向改变，则称去极化（电位为0意味着内外无离子浓度差距，极化消失）；相反，-70mV向更大负值变化则称超极化（意味着离子分布不均匀加剧）。 一般而言，去极化伴随神经元激活，而超极化则意味着神经元抑制，因此通过改变神经元细胞膜内外离子分布可实现精准控制神经元活性的目的。 1979年，美国索尔克研究所著名科学家、DNA双螺旋提出者之一克里克（Francis Crick，1962年诺贝尔生理学或医学奖获得者）在《科学美国人》发表一篇文章 [13]，对脑科学未来的发展进行展望。古典神经生物学家通常采用电极刺激大脑特定区域神经元的方式来影响行为，克里克认为这种方法破坏性大且精确性不高，比如无法准确区分不同的神经元，这些因素导致所得结果准确性差。 为此，克里克提出应开发一种精确控制神经元活性的方法，允许研究根据需要只对特定神经元打开或关闭，同时不影响非相关神经元。具有分子生物学背景的克里克进一步指出可以对神经元细胞进行遗传改造，从而使它们可对外界信号（如光刺激）产生精准性应答。这一理念建立了光遗传学的思想雏形。 尽管光控细胞行为的理念已经提出，但真正实现则需要有可行的工具。2002年，这一想法终于首次变为现实。 神经光控 米森伯克（Gero Andreas Miesenböck）是一位奥地利神经科学家，跟随鲁斯曼（James Edward Rothman，2013年诺贝尔生理学或医学奖获得者）开展博士后研究。他主要借助荧光系统来检测神经元内囊泡运输，因而对光产生浓厚兴趣。 1999年，米森伯克建立自己的实验室，开始独立的科研生涯，目光锁定神经生物学。米森伯克对整个神经生物学领域一知半解，可以说有点 “门外汉” 的味道，但是恰恰这个因素反而使他在光遗传学方面首先完成突破，因为他不会受主流观点所羁绊。生命科学研究的基本策略在于首先控制某种因素（干预），然后依据结果确定因果关系，如敲除特定基因后动物出现某种表型异常（如个子变矮），据此可认为该基因参与了某个过程（如肢体发育）。 然而，由于神经系统自身的复杂性，长期以来神经生物学家主要依赖形态观察，而缺乏更多有效的干预手段。米森伯克想改变这一现状，他完全从一个生物学家的视点来看待这个问题，因此想为神经元安装一套感光系统（遗传学操作），然后借助光照（光学）来达到控制神经元的目的 [14]。为尽快实现这一目标，米森伯克邀请鲁斯曼的另一位学生、自己的师弟泽梅尔曼（Boris Valery Zemelman）加入团队，启动光控神经元活性的研究计划（图5）。

随着化妆品行业加速变革，研发趋势也正呈现出前所未有的多样性和深度。这犹如蝴蝶效应，很多看似微不足道的技术进步或将引发整个业界的巨大变革。基于今年四月法国巴黎in-cosmetics Global报道，并结合7月首尔in-cosmetics Korea创新区展品为例，我们对当下研发创新趋势作了梳理，看看哪些最能如蝴蝶效应般在整个行业激起涟漪、塑造未来？抗衰理念：从表面改善到细胞和分子水平调节抗衰老理念正向着更全面的长寿和整体皮肤健康的方向转变，最新研发专注于细胞自噬等过程和氧化应激的调节，同时致力于抑制细胞内垃圾蛋白的积累。这一从表面改善转向细胞和分子水平调节的趋势，反映了业界对衰老机制理解的深化。相关的活性成分创新包括：生物技术生产的重组胶原蛋白，温和的植物性视黄醇替代品，以及专注于细胞衰老和氧化应激的靶向抗老活性物。例如Hallstar的BLISS Oléoactif（INCI：向日葵（Helianthus Annuus）籽油（和）椴树（Tilia Cordata）木提取物（和）聚甘油-3二异硬脂酸酯），通过抑制单胺氧化酶A（MAO-A）来减轻压力对皮肤的影响，从而减少皮肤皱纹、暗沉和发红等。这实际上还体现了融入神经美容学的全面护理思路。先进递送技术催生精准护理先进的递送系统和靶向方法正推动着化妆品向更精准、个性化的方向发展。例如H&A Pharmachem公司的Retinal Bicelles Shot Crystal Bead，以三步法包裹视黄醛：首先将视黄醛包裹在双层脂质盘（bicelles）中，然后将其封装在尖晶石（spicules）内，最后形成微珠。这种多层传递系统不仅提高了视黄醛的稳定性，还改善了其皮肤渗透性——精准护理的思路在此体现。膜技术：成分传递的突破膜技术正在改变活性成分的传递方式，带来多重益处，包括：改善高浓度活性物的负载和释放，提供即时的紧致效果和持续的活性成分释放，以及显著提高活性成分的生物利用度、大幅增加其功效。例如Hyundai Bioland的Belikle，这种100%天然成膜剂由作为功能性保健食品而广为人知的乳香树脂制成；据报道它可以涂覆在头发上，保护头发免受包括紫外线在内的损害，同时修复头发并提高其抗拉强度；此外还具有指甲保护效果，并增加甲油的涂覆力。洗护风潮：向全方位护理靠拢洗护正不断向护肤+健康的全方位护理靠拢。当下研发新方向包括：针对压力引起的脱发和过早白发的方案；更关注保湿、油脂平衡和整体健康的头皮健康；重视质感与性能提升，减少头发「粗糙度」（孔隙度）。例如Provital的Sealrose（INCI：向日葵（Helianthus Annuus）籽油（和）玫瑰果（Rosa Canina）果提取物（和）生育酚），通过恢复毛鳞片的疏水性和孔隙度来修复头发的脂质层，模仿健康头发的自然结构为受损发质提供了深层修复。体验优先：舒适再定义消费者对产品体验日益提高的要求，推动了一系列以舒适感为中心的创新：注重在清洁效果与对皮肤友好的温和性之间取得平衡的温和配方；使用增稠剂、胶体和流变改性剂打造出增强感官体验的质地创新；加强「后续」体验，开发影响产品在皮肤上长时感觉的创新成分。例如BRB Singapore分别用于保湿和泡沫质量及感官效果的BRB 2844和Emfinity CGSA 200 B。前者是一种低熔点的烷基硅氧烷乙二醇共聚物蜡，可溶于水性体系，通过吸湿特性为皮肤提供保湿效果，并可改善洁面产品中的泡沫质量和体积；后者为植物基酯，具有多种配方优势和功能属性，提供柔软舒适的皮肤感官体验。环保可持续：易降解成分受欢迎可持续性已成为化妆品行业的核心议题，影响着从原料选择到生产工艺的每个环节。最新研发重点正转向易降解和天然降解的成分，同时采用全面的生命周期分析方法来评估环境影响。而相关创新包括：利用生物技术衍生成分如发酵和酵母基工艺创造的可持续替代品，废弃物的升级再造线等。例如大邦LS（Daebong LS ）的Citron Barrier Ceramide（INCI：柑橘籽酰胺丙基油酸酯（Citrus Seedamidopropyl Oleate）（和）油酸），这种升级再利用的植物类神经酰胺源于公司韩国柚子油生产过程中通常被废弃的柚子籽。防腐替代：天然多功能业界一直在探索传统防腐的替代方案——更安全、更有效或/和多用途。当前的创新包括：维生素防腐剂（如烟酰胺），在防腐的同时提供皮肤益处；以及植物源防腐剂——安全性更高、且往往具有额外的护肤功效。例如Activon Co., Ltd.推出了Activonol Green-Hinocare，一种源自日本扁柏（Hinoki cypress）100%植物来源的替代性防腐剂；据称这种100%生物基原料可部分或完全替代石油基防腐体系，水溶性成分在低浓度（1.0-1.5%）下提供广泛的抗菌保护，并可减少配方中所需的其他防腐剂用量。其他好处包括：抗炎效果；美白效果；不影响配方的pH值或粘度；以及适用于广泛的pH范围。微生物组：健康新视角关于微生物的抑制与调节，微生态相关研究业正在重塑我们对皮肤健康的理解。最新研发强调对皮肤微生物组友好的温和性，深入探索益生元和后生元在支持健康皮的肤微生态及皮肤屏障的作用。而将微生物组作为活性物「工厂」、利用皮肤微生物组在原位产生有益化合物的方法更为创新。防晒创新：更广谱、更持久、体验更佳随着全球气温上升，防晒产品正在经历重大创新。新一代产品不仅提供更广谱、更高且更持久的防护，还在变着法提升产品体验。目前感官创新除了改善质地、减少黏腻，更拓展到赋予凉感的冷却技术，以及香味的创新添加以鼓励更频繁的使用。例如SAES Chemicals的5X6015 ZeoSAES UV增强剂，据报道是首个源自工程沸石的无机UV增强剂。它不仅可以显著提高SPF和UVA-PF，还能减少有机UV防晒剂的使用量。由于利用了沸石的独特结构，它既能有效散射和反射紫外线，又能吸附过多的油脂、提供良好的控油效果。其他前沿技术蓝色生物技术：MC Actives GmbH的OpenSee Phycoskin是一种天然维生素K1氧化物替代成分，源自一种纳米浮游生物，采用据称是首个生产海洋浮游植物共生体的生物技术，可提供360度眼部塑形效果且无副作用。其他值得一提的还包括：模拟身体运动所带来的皮肤益处的成分的生物仿生技术，以及探索「外泌体肽」以增强成分传递的植物外泌体。结语这些趋势总结及冰山一角的产品实例，生动展现了多元趋势的交织融合，凸显了化妆品研发的复杂性和多维特征。从细胞层面的抗衰老到微生物组研究，从新型传递系统到全方位的可持续发展，每一项突破都如同化妆品行业的」蝴蝶翅膀"，潜藏着引发巨变的力量。

北京时间9月25日零点，2021年拉斯克奖（The Lasker Awards）公布了三大奖项获奖名单。其中，基础医学研究奖由Dieter Oesterhelt、Peter Hegemann 和Karl Deisseroth获得，以表彰他们对光遗传学的贡献；来自BioNTech的Katalin Karikó和宾夕法尼亚大学的Drew Weissman获得临床医学研究奖，以表彰他们发现基于mRNA修饰的新治疗技术；医学科学特别成就奖则颁给了诺贝尔奖得主David Baltimore。 光遗传学被认为是一项注定要得诺奖的技术（相关文章： 光遗传学：一项注定要得诺贝尔奖的技术）。 实际上，对于光遗传学技术作出贡献的科学家不止这三人，还有他们的合作者和其他科学家。 科学的发展常常伴随着科学家竞争，这是科学的常态。每一项科学成果的背后，故事主角们都有不同的悲喜。但无论结局如何，每一位探索在知识边缘的科学家都值得我们深深的敬意。 撰文｜王承志 梁希同 林岑 责编｜夏志坚 陈晓雪 北京时间2021年9月25日零点，有 “诺奖风向标” 之称的拉斯克奖（the Lasker Awards）公布，三位在光遗传学领域作出重要贡献的科学家获得阿尔伯特拉斯克基础医学研究奖。 获奖理由： 发现了可以激活或沉默单个脑细胞的光敏微生物蛋白，并将其用于开发光遗传学——神经科学领域的一项革命性技术。 根据拉斯克奖官网介绍，三位获奖人的具体贡献分别是： 迪特尔奥斯特黑尔特（Dieter Oesterhelt），发现了一种古细菌蛋白质，它可以在光照条件下将质子泵出细胞； 彼得黑格曼（Peter Hegemann），在单细胞藻类中发现了相关的通道蛋白； 卡尔代塞尔罗思（Karl Deisseroth），利用这些分子创建了光触发系统，这些系统可以在活的、自由移动的动物身上使用，以理解在迷宫一般的脑回路中特定类别乃至一类神经元的作用。 大脑是人最复杂的器官，人的感觉、记忆、思考、运动等诸多生理活动，以及各种神经系统疾病都与神经元的功能息息相关。多年以来，理解各种神经元的具体功能一直是神经生物学的中心研究领域。 特异性地控制神经元活动对神经生物学家具有无法抵挡的吸引力。如果能特异性地激活一类神经元，那么就可以通过观察激活后的生理现象来推测其功能。同理，如果能特异性地抑制一类神经元，则可以推测这类神经元对哪些生理活动是必须的。 神经生物学家们尝试过各种方法来达到这个目标。比如，用微电极来刺激神经元，或者使用化学物质来模拟或者拮抗神经递质。但这些方法都有难以克服的缺陷：微电极控制的精度不够，比如不能特异性地控制一类神经元；化学物质控制神经元的速度难以控制，很难在毫秒级别进行操作。 紫色的膜与光传感器 1969 年，29岁的青年化学家迪特尔奥斯特黑尔特（Dieter Oesterhelt，1940年-）从德国慕尼黑大学学术休假，来到了美国加州大学旧金山分校电子显微镜专家沃尔瑟斯托克尼乌斯（Walther Stoeckenius，1921年7月3日-2013年8月12日）的实验室。 当时，斯托克尼乌斯正在研究一种可以在高盐环境中生存的古细菌的细胞膜，这种微生物现在被称作盐生盐杆菌（Halobacterium salinurum）。在这次合作中，奥斯特黑尔特证实盐生盐杆菌的细胞膜中紫色的组分含有视黄醛。随后，他和斯托克尼乌斯确定了古细菌中的一种蛋白质，并将其命名为细菌视紫红质（bacteriorhodopsin）。1971 年，他们提出细菌视紫红质起到了光传感器或光感受器的作用。迪特尔奥斯特黑尔特 | 图源：biochem.mpg 回到德国后，奥斯特黑尔特和斯托克尼乌斯继续合作这一研究。奥斯特黑尔特发现，细菌视紫红质可以将质子泵出细胞。这个神奇蛋白质，像是一个微型光能发电机，能吸收光子的能量，用这些能量把质子泵到细胞的外面，从而进一步转化为细菌所需的能量。 后来，科学家们发现了另外一种含视黄醛的光激活泵——卤化视紫红质（halorhodpsin），可以将氯离子输送到细胞中。这两种物质的发现和对其生物物理、结构和遗传学的研究，为光遗传学的发展提供了基础性的见解。 来自微生物的光敏蛋白 20世纪80年代，彼得黑格曼在位于慕尼黑的马克思普朗克生物化学研究所攻读博士学位。他的导师正是发现细菌视紫红质的迪特尔奥斯特黑尔特。 黑格曼的博士论文，研究的是来自另一种细菌的视紫红质——卤化视紫红质（halorhodopsin）。 卤化视紫红质存在于一种耐盐古细菌中，其利用光能将其生活的高盐度环境中的氯离子排出体外。黑格曼首先通过生物化学技术分离提纯了这一蛋白。彼得黑格曼 | 图源：project-stardust.eu 此时，刚刚在法兰克福的马克思普朗克生物物理研究所建立自己实验室的恩斯特班贝格（Ernst Bamberg）参与了进来，他通过构建体外系统来研究黑格曼所提纯出的halorhodopsin的电化学特性。 1984年获得博士学位后，黑格曼来到美国雪城大学的肯福斯特（Kenneth Foster）的实验室从事博士后研究。 福斯特研究的是另一种对光敏感的微生物：单细胞绿藻。这些单细胞的藻类具有趋光性，能够挥舞鞭毛向着有光的方向游去（它们需要光进行光合作用）。福斯特认为，单细胞绿藻也可能使用某种视紫红质作为它们的眼睛，从而得知光亮的方向，并且能驱动鞭毛游往有光的地方。莱茵衣藻 Chlamydomonas reinhardtii 1986年，黑格曼回到普朗克生物化学研究所建立起自己的实验室，开始潜心研究莱茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii，一种微小的绿藻）趋光性行为。 1991年，黑格曼发现，莱茵衣藻的光受体也是一种视紫红质，但它的工作方式与之前发现的各种视紫红质都不一样。衣藻视紫红质的光照之后会引起钙离子流入细胞中，从而引起的电流能够激发鞭毛的运动，他称之为光电流（photocurrent）。恩斯特班贝格（Ernst Bamberg） 人眼中的视紫红质感光之后也会产生光电流，通过神经传递到大脑之后就形成了视觉。人眼中视紫红质引起光电流需要经过细胞内一系列蛋白的信号传导，而黑格曼发现衣藻视紫红质产生光电流的速度比人眼中的视紫红质快得多。据此他大胆地推测：衣藻视紫红质本身可能就是一个可以作为电流开关的离子通道。 然而，此后的十年里，黑格曼使尽各种办法，也无法像当初分离提纯一样分离卤化视紫红质提纯出衣藻视紫红质，来验证他的猜想。 随着分子生物的发展，2001年，黑格曼和其他科学家通过测序衣藻的基因组发现了两个新的光受体基因。 为了证明它们究竟是不是苦苦追寻十余年的衣藻视紫红质，黑格曼找到了当初和合作研究卤化视紫红质电化学特性的班贝格。 此时的班贝格已经是普朗克生物物理研究所的所长。此前的1995年，班贝格就和普朗克生物物理研究所的科学家格奥尔格纳格尔（Georg Nagel）将细菌视紫红质表达在动物细胞中，使得动物细胞在受到光照时产生光电流。奥尔格纳格尔（Georg Nagel） 2003年，从黑格曼那里得到光受体基因后，班贝格和纳格尔用同样的方法成功地在动物细胞中表达了衣藻视紫红质蛋白，从而发现只要有这个蛋白单独存在，就能产生光电流，使阳离子流入细胞中，造成细胞去去极化。他们的结果终于证明黑格曼的假说：衣藻视紫红质是一个能被光所打开的阳离子通道。 从前人们知道，特定的化学分子，或者电压的变化，或者机械力的变化可以开关特定的离子通道，而能被光直接控制的离子通道还是第一次被发现，于是他们把衣藻视紫红质命名为视紫红质通道蛋白（Channelrhodopsins，ChR1）。这个词由离子通道（Channel）和视紫红质（Rhodopsin）组合而成。 他们还在爪蟾的卵细胞中表达了这种蛋白，发现光照可以引起细胞的静息电位发生变化。这项开创性的工作发表在了2002年6月的 Science 上。 2003年，纳格尔和黑格曼又发现了一个新的通道蛋白——ChR2。这一次，他们不但做了更深入的机制研究，而且把ChR2首次在人的细胞（HEK）中表达。作者在文章结论中写道：“ChR2能够成为控制细胞内钙离子浓度或者细胞膜极化水平的有用工具，特别是在哺乳动物细胞中”。 ChR1和ChR2的发现，让一些神经生物学家眼前一亮——这或许就是使用光来控制神经元的理想介质。而光遗传学的大门从这里也正式开启了。 光遗传学的诞生 视紫红质通道蛋白的发现，不仅仅解释的衣藻的趋光性行为，纳格尔和班贝格的实验还证明了这个来自衣藻的光敏感通道能独自驱使动物细胞产生光电流。因此，借助这个光敏感通道，就可以通过光来遥控动物细胞，特别是神经细胞的电活动。 用光来改变神经细胞的电活动是神经科学家长久以来的梦想，光刺激有着比传统药物刺激和电刺激更高的时间和空间的精确性，并且对组织的伤害更小。 20世纪90年代，科学家开始使用光控释放神经递质来激活细胞，但这种方法的时间和空间的精确性仍然不够。 2002年，奥地利神经科学家格罗米森伯克 (Gero Miesenböck）开始在光控中引入遗传学，尝试将果蝇眼中的视紫红质表达在哺乳动物细胞中，或者将哺乳动物的离子通道表达的果蝇的神经细胞中。使用遗传学的优势在于，可以专门针对研究者想到测试的神经细胞进行遥控，但米森伯克缺乏一种强有力的工具可以让光精确地改变神经活动。格罗米森伯克 (Gero Miesenböck) | 图源：cncb.ox.ac.uk 2003年在衣藻中发现的视紫红质通道蛋白正好提供了这样一个强有力的工具。 2000年，爱德华博伊登（Edward S. Boyden，1979-）来到斯坦福大学，在钱永佑（Richard Tsien，钱永健的哥哥）和詹妮弗雷蒙德（Jennifer Raymond）教授的指导下，研究小脑神经回路。 在钱永佑的实验室，博伊登遇到了钱永佑之前的博士生卡尔代塞尔罗思（Karl Deisseroth，1971-）。代塞尔罗思之前在斯坦福大学学习神经生物学，并在斯坦福医院当过精神科住院医师。 有着工程背景的博伊登和医学背景的代塞尔罗思经常在一起讨论当时神经生理学的研究技术。多次的思想碰撞让两位年轻人意识到，当时的技术还有很大局限，神经生物学家需要更好的工具来控制大脑中特异的神经元，他们决定开发这样的工具。Edward S. Boyden | 图源：mcgovern.mit.edu 他们最初设想可以使用磁场来控制神经元，在神经元中表达机械拉力敏感的离子通道，然后把微小的磁珠特异性连接到这种通道蛋白上，这样就可能通过外部磁场来控制神经元的电活动。但是，无论是找到合适的机械敏感离子通道基因还是把磁珠连接到通道蛋白上，技术难度都非常大。 后来，博伊登在阅读一篇1999年发表的论文中得到了灵感。这篇论文报道了在嗜盐碱单胞菌中发现的卤化视紫红质（halorhodopsin），能够在大脑的氯离子浓度下工作。这种视紫红质可以在受光照时激活离子通道。 博伊登意识到使用光来控制离子通道比磁场更容易实现。他写邮件给这篇论文的作者，索要了这个蛋白的基因。但后来由于博伊登忙于博士学位论文，这件事情被晾在了一边。 2003年秋天，代塞尔罗思即将独立成为PI，组建自己的实验室。他写邮件给博伊登，希望博伊登博士毕业后可以去他的实验室做博后，一起开展之前讨论的使用磁场控制神经元的项目。卡尔代塞尔罗思 | 图源：www.hhmi.org 从2003年10月到2004年2月，代塞尔罗思和博伊登为即将开始的磁控神经元项目阅读了大量的文献。恰在此时，纳格尔、黑格曼和班贝格及同事们在 PNAS 期刊上发表了前文提到的ChR2的论文。 博伊登阅读这篇论文时立刻意识到，ChR2拥有他们设想过的一切特性：在一个蛋白中把输入信号（光）和输出（去极化神经细胞）偶联起来。事实上，同时意识到这一ChR2这一特性可以用于光控神经细胞的，远不止博伊登一人。 博伊登写信给代塞尔罗思，希望能联系纳格尔索要ChR2的克隆。代塞尔罗思于2004年3月联系了纳格尔。那时，纳格尔已对ChR2做了一些改良，他把这些改良后的克隆寄送给了代塞尔罗思和博伊登。 博伊登当时还在钱永佑的实验室做博士课题。但从2004年7月开始，博伊登几乎把博士课题放在了一边，专心做起了ChR2在神经元中表达的项目。 2004年8月4日的凌晨1点，博伊登在钱永佑的实验室里用蓝光照射表达了ChR2的神经元，成功观察到了去极化和动作电位。早上，他发邮件给代塞尔罗思告诉了他的发现。代塞尔罗思回信：“太棒了！！！！！” 五个感叹号显示了他当时的兴奋心情。 2005年初，张锋（就是后来最早在哺乳动物细胞中使用CRISPR做基因编辑的那位，现麻省理工学院教授）来到代塞尔罗思实验室开始了研究生生涯。他改进了博伊登的表达体系，使用慢病毒在神经元中表达ChR2，大大增加了该系统的稳定性。 2005年4月19日，博伊登和代塞尔罗思把他们的发现投稿给 Science 杂志，遭拒稿，理由是没有具体的科学发现。5月5日，他们投稿到 Nature 杂志，Nature 建议把稿件转投给 Nature Neuroscience 杂志。经过一轮修改，Nature Neuroscience 接受了这篇文章。 光遗传学的其他研究者 自从黑格曼等在2003年发表了光敏通道蛋白ChR1和ChR2，很多科学家都意识到这类光控通道蛋白有极大的应用潜力。一场无形的竞争也在悄然展开。