新技术能快速地打开和关闭基因，这有助于科学家更好地了解基因的功能。
马萨诸塞州剑桥市——虽然人类细胞估计约有2万个基因，但其中仅有一部分可根据细胞的需要在任何给定的时间里开启——它们的状态可在1分钟或1小时内发生改变。为了查明那些基因正在干什么，研究人员就必须要有在同样短的期限内能操控基因状态的工具。
现在，由于麻省理工学院（MIT）和博德研究所（Broad Institute）开发了一种新技术，已可能通过对细胞简单地进行光照，就可以快速地启动或停止任何感兴趣基因的表达。
这项研究是基于一种称为光遗传学的技术进行的，这种技术利用了一些蛋白质在对光照的反应中会改变它们功能的特性。研究人员使光敏感蛋白，适应于在光照之后，几乎立刻地剌激或抑制特定目标基因的表达。
MIT脑和认知科学研究生西尔瓦娜·卡萘美（Silvana Konermann）说：“细胞在一个相当短的时限内，会发生很具活力的基因表达，但迄今为止被用来干扰基因表达的方法，甚至还不能接近那些表达的动态。为了更好地了解那些基因表达变化对基因功能的影响，我们的方法必须尽可能地与自然发生的表达动态相匹配。”
具有精确控制特定时间和持续时间基因表达的能力，将会使我们更容易地搞清楚特定基因尤其是那些参与学习和记忆的基因的作用。
卡萘美和哈佛大学研究生马克·布里格姆（Mark Brigham），是7月22日发表于《自然》在线版的描述这种技术论文的主要作者。该论文的资深作者是张锋(Feng Zhang)，他是MIT生物医学工程的W．M．凯克助理教授、博德研究所和MIT的麦戈文研究所从事脑研究的核心成员。
用光照射基因
新系统由几个部分组成，它们彼此互相作用来控制DNA复制信使核糖核酸（mRNA），mRNA携带着对细胞其余部分的遗传指令。首先，是一种称为转录因子样效应基因（TALE）的DNA-结合蛋白。TALEs是模块化蛋白，它能以一种定制方式串在一起，来结合任何的DNA序列。
与TALE蛋白融合的是一种称为CRY2的光敏感蛋白，它天然地存在于一种小型的开花植物拟南芥中。当光脉冲击中CRY2时，它就改变形状并与其称为C1B1的天然伙伴蛋白相结合。为了利用这一点，研究人员设计制成了一种形态的C1B1，再将其与另一种蛋白融合，这种融合的蛋白就能激活或抑制基因的复制。
一些基因把这些成分递送给细胞以后，使TALE发现目标DNA并包裹它。当光照射细胞时，CRY2蛋白就与C1B1结合，在细胞内漂浮。C1B1激发一种基因活化剂，启动转录即把DNA复制为mRNA。或者，C1B1可携带一个阻抑蛋白，阻断这个过程。
单个的光脉冲，足以剌激C1B1蛋白结合CRY2并启动DNA的复制。研究人员发现，大约每分钟给予光脉冲，是在所需时间内实现连续转录的最有效方式。光脉冲照射的30分钟内，研究人员检测到了目标基因中产生mRNA数量的上扬。一旦光脉冲停止发送，大约在30分钟内mRNA开始降解。
这项研究中，研究人员已针对近30个不同的基因进行了试验，既有实验室中培养的也有动物活体中生长的神经元中的基因。一个基因通常地能够表达多少，这随目标基因而定，研究人员能提高一个因子的转录2-200倍。
斯坦福大学生物工程教授、光遗传学的发明人之一卡尔·戴瑟罗特（Karl Deisseroth）说，该技术的最重要创新，是使科学家可以控制细胞中自然存在的基因，而不是由科学家提供的工程基因。戴瑟罗特不是该研究团队的一分子，他说：“你可以在精确的时间里控制特定基因的位点，而且可以高时间精度来观察各种反应是如何发生的。”
表观遗传修饰
基因表达调控的另一重要内容，是表观遗传修饰。表观遗传效应物的一个主要类别，是称为组蛋白的化学修饰蛋白质，它能锚住染色体DNA并进入和控制相关的基因。研究人员发现，他们也可以通过组蛋白修饰因子与TALE蛋白的融合，来改变这些表观遗传修饰。
表观遗传修饰，被认为在学习和记忆的形成中起着关键的作用，但是由于没有好的方法来短时间的阻断整个基因组的组蛋白修饰，所以，对此没有得到很好的探索。该技术提供了一个更加精确的方法，来干预单个基因的修饰。
张说：“我们希望，让人们能够证明基因组中特定表观遗传修饰的因果作用。”
到目前为止，研究人员已经证明某些组蛋白效应子的结构域，可以被光敏感蛋白所拴住；他们现正尝试扩展组蛋白修饰的类型，并把其整合进这个系统。
布里格姆说：“这将确实地有用于扩展表观遗传标记的数量，而且这是我们可以调控的。现在，我们已有一套成功的组蛋白修饰因子，它们当中的许多，是我们和其他研究人员准备希望能应用于这种技术。”
这项研究得到休伯特·休梅克奖学金；国家卫生研究院（NIH）变革性R01奖；NIH院长先锋奖；凯克、麦克奈特、法利、达蒙·罗尼恩、塞尔·斯加尔斯、克林根斯坦和西蒙斯基金会；以及鲍勃·梅特卡夫和简·波利的资助。
