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在生物体中，精确调控自身基因表达是各种生命活动正常进行的基础。所以精确调控基因表达的工具对于研究基因功能、揭示生物体生命活动内在机制具有重要作用。随着光遗传学技术的发展，科学家们意识到光是一种较为理想的诱导剂，具有易获取、易操作、低毒性、高时空分辨率等优点。因此，许多科学家们致力开发以光为诱导剂的基因表达调控工具。 2012年，本实验室报导了基于光敏蛋白VIVID的LightOn光控基因表达系统。LightOn系统只含单一组分光敏转录因子，可以在空间和时间上精确、高效调控目的基因表达。然而，LightOn系统存在相对较高的本底泄漏表达、以及维持目的基因关闭状态需避光操作等缺点。此外，由于光敏蛋白在不同温度下具有不同的光响应特性，LightOn系统是否可被用于较低体温度生存的模式生物需要进一步探究。除了基于遗传编码光敏转录因子的光控基因表达系统外，基于“光扳机”的光控基因表达系统研究也取得了较大的进展。然而，在目前已有的系统中，用于光解的短波长光源存在较高的细胞毒性，并且光解所释放的小分子诱导剂极易扩散，显著降低了诱导效率且缺乏空间特异性。为了提高光控基因表达系统的实用性，本研究分别以LightOn系统和“光扳机”技术为基础，尝试开发具有更低泄漏表达、更好普适性、更低细胞毒性以及操作更方便的光控基因表达系统。 本研究首先对LightOn系统进行了改造，改造方向包括光敏转录因子GAVPO表达量、报告质粒中最小启动子类型、UASG数量、UASG同最小启动子间距离等方面。改造后的LightOn系统具有灵活可变的光控性质，具有更低的本底泄漏表达或者更高的目的基因表达水 平，这为科研人员应用LightOn系统时提供了更加丰富的选择。 本研究对光敏转录激活因子GAVPO进行了突变，并优化了报告质粒，最终获得了可以在20-28℃条件下调控目的基因表达的低体温LightOn系统。该系统可以在体外培养果蝇细胞中调控目的基因的表达，并且可以具有近100倍的诱导倍数。低体温LightOn系统具有很好的普适性，可以在果蝇、斑马鱼、线虫三种模式生物中调控目的基因表达，并体现出高诱导效率、低泄漏表达的优点。 本研究还开发了三种光-激素双控基因表达系统。三种光-激素双控基因表达系统中调控元件“光-激素双控转录因子”均由LightOn系统中光敏转录因子GAVPO与核激素受体蛋白的配体结合域融合获得。光-激素双控基因表达系统均具有高诱导效率、低泄漏表达和高时空分辨调控的优点，并且避免了避光操作的不便。三种光-激素双控基因表达系统均具有较高的光敏性和独特的激素药物响应特点，同时还具有不同的可逆性，可以满足科研人员不同的实验需求。 本研究还设计开发了两种具有独特功能的光扳机分子。其中一种为巯基激活型光扳机分子。该分子由7-氨基香豆素光扳机、巯基可去除的淬灭因子（分散红1号）和目标调控分子3部分组成。这种巯基激活型光扳机需要巯基化合物和“光”双重激活，因此可以将光释放反应限定在细胞内和特定光激活区域。我们利用该光扳机调控荧光素和4-OHT活性，成功实现高空间精度荧光标记细胞和严谨调控基因表达。本文中还使用苯乙烯基团修饰香豆素光扳机3位碳原子，成功使得香豆素的吸收峰红移至440-480nm处。这种修饰后的光扳机分子可以在450nm光照射下发生光解释放目标分子，从而降低此前系统使用短波长光源导致的细胞毒性。我们利用该分子也实现了在哺乳动物细胞中光控目的基因表达。 本研究开发的几种基于遗传编码光敏转录因子或者“光扳机”技术的光控基因表达系统具有有高诱导效率、低本底泄漏表达、低细胞毒性、操作方便等优点，并且可以在哺乳动物细胞以及不同模式生物中调控目的基因表达。这些基因表达调控工具不仅为基因功能研究、基因治疗以及光遗传学研究领域提供有力支持，还为后续光控分子开关的开发提供了新的思路。