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基因电路 上演一场抗癌“心机戏”

 

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基因电路 上演一场抗癌“心机戏”




  原标题

  基因电路 上演一场抗癌“心机戏”

  生物学家通过精巧的基因电路设计和火力全开的免疫因子,避开健康细胞成功识别并杀灭了实验小鼠体内的癌细胞,将癌细胞的伪装、应激、抵抗一一化解。《细胞》杂志近期刊登的这个研究有哪些独到之处?

  基因电路?活体里的电子学科吗?难不成是研究人类机器人?

  且慢,别急着思考伦理问题,这种提法其实是生物学家强大的想象,指的是利用合成生物学的精巧设计,控制细胞里的通路,让人们能“开关”细胞的行动。

  近日,《细胞》杂志刊登美国麻省理工学院卢冠达团队的研究成果,他们设计了基于合成RNA的免疫调节基因电路、可用于癌症的免疫治疗。

  这款“精妙”的基因电路如何工作?它又如何制服狡猾、善变的癌细胞呢?科技日报记者日前专访了两位“千人计划”专家,分别解答该研究中两个科学领域的问题。

  造个“特洛伊木马”,帮“信号兵”潜进癌细胞的城池

  弄清科学家的精妙设计,还要从它的攻击对象——癌细胞说起。

  众所周知,癌细胞无限繁殖,这个特点只有它“扎堆”的时候才能显现出来。机体要杀灭单个细胞,如何区分癌细胞和正常细胞呢?

  “癌细胞内部是特异性表达,”“青年千人计划”学者、四川大学生物治疗国家重点实验室罗云孜说,“癌基因、原癌基因等会在癌细胞中被激活,使正常细胞发生癌变。这个研究中用的是cMYC、E2F1(基因名)两个转录因子基因。”

  也就是说这两个基因在癌细胞中异常活跃,而正常细胞中它们相对平静。卢冠达团队将它们看成癌细胞自带的“钥匙”,根据钥匙设计了一套“锁”。锁的特点是,只有两个钥匙同时开锁,才会被打开。

  罗云孜解释,第一把钥匙打开的反应不会进行到底,“第一个启动子启动转录,生成的mRNA(信使RNA)会在尾部有个特别的结构,能和细胞内的微小RNA结合(miR1),不会继续进行蛋白翻译的步骤。只有当第二个启动子启动的转录生成了另一段序列,走过来把miR1带走,蛋白翻译才会继续进行”。

  这种两把钥匙合作开一把锁的模式,在集成电路中被称为“与门”结构。卢冠达表示,是受“与门”的启发,想到设计这个结构的。

  把合成的基因电路“安插”进癌细胞中,团队利用了慢病毒载体。“病毒侵染,可以让病毒的每一代都有特异表达”,“千人计划”创业人才、上海比昂生物创始人杨光华说,总的来说,这套装置就像特洛伊木马,将信号兵带进癌细胞的城池,而只有两把钥匙共同打开木马上的锁,信号兵才会出来发信号。

  “这个设计虽然使用已知基因元件,但并不简单,需要进行严格的筛选。导入基因必须和正常细胞内的系统没有关联性,确保只启动癌细胞中的‘电路’,不会对正常细胞产生影响。”罗云孜说,研究团队经过了大量的优化实验,才完成基因序列的最终合成。

  基因电路最难做到的是“准确”。卢冠达团队合成的精巧的控制器,为“攻击手”辨认癌细胞设置了一个“双保险”的开关。罗云孜说:“它起的是精确制导的靶子的作用,这项研究大大降低对正常细胞的误伤率。”

  在癌细胞里安插了准确的“信号兵”,下一步就可以进行“攻城拔寨”的战斗了。也就是接入功能基因,开启对癌细胞的“征讨”。

  烟雾弹、信号弹、照明弹、远程长短炮……火力齐发

  一旦信号兵放倒“消息树”,身体内的免疫系统将会被调动起来。接下来的实战,是一场堪比《权利与游戏》的抗癌“心机戏”——

  一头,研究用基因电路的方法设计了能准确放倒“消息树”的“信号兵”,另一头,合成了完备的全功能攻击战斗团。

  为啥这个战斗团前要加上这么多修饰词呢?因为目前很少有研究将多个不同角色的肿瘤对抗基因联合起来编队。

  战斗团编队有4个,分别是表面T细胞结合子(STE),一种细胞表面抗原,是癌细胞的特异性识别位点;趋化因子21(CCL21),可以促进T细胞在癌细胞位点聚集;白介素12(IL12),一种可以增强T细胞活性和功能的细胞因子;PD-1抑制,能够降低癌细胞对免疫系统的抑制。

  “STE,它帮助能杀伤癌细胞的T细胞锁定目标,有照明弹的功能,”杨光华一一解释,“CCL21,像信号弹,所有的T细胞火力将循着身体里的这个信号向癌细胞集结;IL12是真正的炮弹,使得T细胞的火力和功能大大增强,具有高活力的杀伤性。”

  其中最斗智的是“PD-1抑制”的设计,它专门针对癌细胞这个“戏精”。“癌细胞会‘扮演’成正常细胞。”杨光华说,“其表面出现PD-L1与T细胞表面的PD-1结合,会骗过T细胞,而PD-1抑制的‘元件’像‘烟雾弹’阻挡假象对T细胞的干扰。”

  “癌细胞有应激反应,会越战越精,所以4种不同方法并用,应对狡猾的癌细胞。”罗云孜说,希望能达到肿瘤完全消退的目的。

  但是,在实际的临床治疗中,还需要更深入的开发。杨光华认为,研究用的材料是理想状态的肿瘤细胞系,而实际的肿瘤细胞基因非常复杂,并不一定能强劲开启对肿瘤细胞全方位的识别。“研究提出了一个治疗新理念——免疫基因电路平台的概念,能够特异性表达这些免疫基因,达到筛选的目的。”

  拼装、运行、验证,基因就像一个个小的“电子元器件”

  今年3月,《科学》杂志刊出专刊,总结刊登了7篇合成生物学方面的重大突破,其中有4篇成果是中国学者作为通讯作者发表的。罗云孜说:“他们的工作主要是人工合成了酵母的基因组。”

  “这在合成生物学领域是重大事件”,罗云孜说,这证明从2008年美国科学家合成支原体基因组以来,人类对基因组的合成已经上升到了真菌界,人类可以创造出真核生物。

  “基因组的合成包含对基因功能的验证、组合和优化设计。”罗云孜说,其间,基因像一个个小的“电子元器件”,拼装、运行、验证,用于完成人们的生产生活目标。

  在微生物制造方面,进行了基因电路改造的酵母已经可以用于人参有效物质的合成,例如皂苷等。罗云孜说:“合成植物来源化合物,需要多个基因组合表达,进行改变优化的东西很多。如何有效表达,如何调配不同基因的表达量,都要精确的程序设置。”

  “我们需要回答的问题是,不同的基因元件,如何搭起来更有效、更精准。”作为合成生物学家,罗云孜解释,对于已知功能的基因,将其模块化、基本化,用于进一步的装配研究,“然而人类对基因的功能并不是完全清楚。相较于电子元器件来说,装配基因会更不稳定,需要设计复杂的实验予以证实”。

  在医学研究方面,我国已经利用合成生物学建立起相关疾病的筛查和验证平台。此外为了增加基因疗法的安全性,杨光华团队还在进行药物控制免疫系统对癌细胞攻击的研究。

  杨光华介绍,团队此前构建了可诱导的慢病毒载体,可实现通过给药、停药开关基因表达,通过药物剂量来控制CAR-T疗效的强弱,从而调控体内免疫系统与癌细胞的“战争级别”。记者 张佳星



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