生物學(xué)家通過精巧的基因電路設(shè)計(jì)和火力全開的免疫因子，避開健康細(xì)胞成功識別并殺滅了實(shí)驗(yàn)小鼠體內(nèi)的癌細(xì)胞，將癌細(xì)胞的偽裝、應(yīng)激、抵抗一一化解?！都?xì)胞》雜志近期刊登的這個研究有哪些獨(dú)到之處?

基因電路?活體里的電子學(xué)科嗎?難不成是研究人類機(jī)器人?

且慢，別急著思考倫理問題，這種提法其實(shí)是生物學(xué)家強(qiáng)大的想象，指的是利用合成生物學(xué)的精巧設(shè)計(jì)，控制細(xì)胞里的通路，讓人們能“開關(guān)”細(xì)胞的行動。

近日，《細(xì)胞》雜志刊登美國麻省理工學(xué)院盧冠達(dá)團(tuán)隊(duì)的研究成果，他們設(shè)計(jì)了基于合成RNA的免疫調(diào)節(jié)基因電路、可用于癌癥的免疫治療。

這款“精妙”的基因電路如何工作?它又如何制服狡猾、善變的癌細(xì)胞呢?科技日報記者日前專訪了兩位“千人計(jì)劃”專家，分別解答該研究中兩個科學(xué)領(lǐng)域的問題。

造個“特洛伊木馬”，幫“信號兵”潛進(jìn)癌細(xì)胞的城池

弄清科學(xué)家的精妙設(shè)計(jì)，還要從它的攻擊對象——癌細(xì)胞說起。

眾所周知，癌細(xì)胞無限繁殖，這個特點(diǎn)只有它“扎堆”的時候才能顯現(xiàn)出來。機(jī)體要?dú)鐔蝹€細(xì)胞，如何區(qū)分癌細(xì)胞和正常細(xì)胞呢?

“癌細(xì)胞內(nèi)部是特異性表達(dá)，”“青年千人計(jì)劃”學(xué)者、四川大學(xué)生物治療國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室羅云孜說，“癌基因、原癌基因等會在癌細(xì)胞中被激活，使正常細(xì)胞發(fā)生癌變。這個研究中用的是cMYC、E2F1(基因名)兩個轉(zhuǎn)錄因子基因。”

也就是說這兩個基因在癌細(xì)胞中異常活躍，而正常細(xì)胞中它們相對平靜。盧冠達(dá)團(tuán)隊(duì)將它們看成癌細(xì)胞自帶的“鑰匙”，根據(jù)鑰匙設(shè)計(jì)了一套“鎖”。鎖的特點(diǎn)是，只有兩個鑰匙同時開鎖，才會被打開。

羅云孜解釋，第一把鑰匙打開的反應(yīng)不會進(jìn)行到底，“第一個啟動子啟動轉(zhuǎn)錄，生成的mRNA(信使RNA)會在尾部有個特別的結(jié)構(gòu)，能和細(xì)胞內(nèi)的微小RNA結(jié)合(miR1)，不會繼續(xù)進(jìn)行蛋白翻譯的步驟。只有當(dāng)?shù)诙€啟動子啟動的轉(zhuǎn)錄生成了另一段序列，走過來把miR1帶走，蛋白翻譯才會繼續(xù)進(jìn)行”。

這種兩把鑰匙合作開一把鎖的模式，在集成電路中被稱為“與門”結(jié)構(gòu)。盧冠達(dá)表示，是受“與門”的啟發(fā)，想到設(shè)計(jì)這個結(jié)構(gòu)的。

把合成的基因電路“安插”進(jìn)癌細(xì)胞中，團(tuán)隊(duì)利用了慢病毒載體。“病毒侵染，可以讓病毒的每一代都有特異表達(dá)”，“千人計(jì)劃”創(chuàng)業(yè)人才、上海比昂生物創(chuàng)始人楊光華說，總的來說，這套裝置就像特洛伊木馬，將信號兵帶進(jìn)癌細(xì)胞的城池，而只有兩把鑰匙共同打開木馬上的鎖，信號兵才會出來發(fā)信號。

“這個設(shè)計(jì)雖然使用已知基因元件，但并不簡單，需要進(jìn)行嚴(yán)格的篩選。導(dǎo)入基因必須和正常細(xì)胞內(nèi)的系統(tǒng)沒有關(guān)聯(lián)性，確保只啟動癌細(xì)胞中的‘電路’，不會對正常細(xì)胞產(chǎn)生影響。”羅云孜說，研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過了大量的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，才完成基因序列的最終合成。

基因電路最難做到的是“準(zhǔn)確”。盧冠達(dá)團(tuán)隊(duì)合成的精巧的控制器，為“攻擊手”辨認(rèn)癌細(xì)胞設(shè)置了一個“雙保險”的開關(guān)。羅云孜說：“它起的是精確制導(dǎo)的靶子的作用，這項(xiàng)研究大大降低對正常細(xì)胞的誤傷率。”

在癌細(xì)胞里安插了準(zhǔn)確的“信號兵”，下一步就可以進(jìn)行“攻城拔寨”的戰(zhàn)斗了。也就是接入功能基因，開啟對癌細(xì)胞的“征討”。

煙霧彈、信號彈、照明彈、遠(yuǎn)程長短炮……火力齊發(fā)

一旦信號兵放倒“消息樹”，身體內(nèi)的免疫系統(tǒng)將會被調(diào)動起來。接下來的實(shí)戰(zhàn)，是一場堪比《權(quán)利與游戲》的抗癌“心機(jī)戲”——

一頭，研究用基因電路的方法設(shè)計(jì)了能準(zhǔn)確放倒“消息樹”的“信號兵”，另一頭，合成了完備的全功能攻擊戰(zhàn)斗團(tuán)。

為啥這個戰(zhàn)斗團(tuán)前要加上這么多修飾詞呢?因?yàn)槟壳昂苌儆醒芯繉⒍鄠€不同角色的腫瘤對抗基因聯(lián)合起來編隊(duì)。

戰(zhàn)斗團(tuán)編隊(duì)有4個，分別是表面T細(xì)胞結(jié)合子(STE)，一種細(xì)胞表面抗原，是癌細(xì)胞的特異性識別位點(diǎn);趨化因子21(CCL21)，可以促進(jìn)T細(xì)胞在癌細(xì)胞位點(diǎn)聚集;白介素12(IL12)，一種可以增強(qiáng)T細(xì)胞活性和功能的細(xì)胞因子;PD-1抑制，能夠降低癌細(xì)胞對免疫系統(tǒng)的抑制。

“STE，它幫助能殺傷癌細(xì)胞的T細(xì)胞鎖定目標(biāo)，有照明彈的功能，”楊光華一一解釋，“CCL21，像信號彈，所有的T細(xì)胞火力將循著身體里的這個信號向癌細(xì)胞集結(jié);IL12是真正的炮彈，使得T細(xì)胞的火力和功能大大增強(qiáng)，具有高活力的殺傷性。”

其中最斗智的是“PD-1抑制”的設(shè)計(jì)，它專門針對癌細(xì)胞這個“戲精”。“癌細(xì)胞會‘扮演’成正常細(xì)胞。”楊光華說，“其表面出現(xiàn)PD-L1與T細(xì)胞表面的PD-1結(jié)合，會騙過T細(xì)胞，而PD-1抑制的‘元件’像‘煙霧彈’阻擋假象對T細(xì)胞的干擾。”

“癌細(xì)胞有應(yīng)激反應(yīng)，會越戰(zhàn)越精，所以4種不同方法并用，應(yīng)對狡猾的癌細(xì)胞。”羅云孜說，希望能達(dá)到腫瘤完全消退的目的。

但是，在實(shí)際的臨床治療中，還需要更深入的開發(fā)。楊光華認(rèn)為，研究用的材料是理想狀態(tài)的腫瘤細(xì)胞系，而實(shí)際的腫瘤細(xì)胞基因非常復(fù)雜，并不一定能強(qiáng)勁開啟對腫瘤細(xì)胞全方位的識別。“研究提出了一個治療新理念——免疫基因電路平臺的概念，能夠特異性表達(dá)這些免疫基因，達(dá)到篩選的目的。”

拼裝、運(yùn)行、驗(yàn)證，基因就像一個個小的“電子元器件”

今年3月，《科學(xué)》雜志刊出?？偨Y(jié)刊登了7篇合成生物學(xué)方面的重大突破，其中有4篇成果是中國學(xué)者作為通訊作者發(fā)表的。羅云孜說：“他們的工作主要是人工合成了酵母的基因組。”

“這在合成生物學(xué)領(lǐng)域是重大事件”，羅云孜說，這證明從2008年美國科學(xué)家合成支原體基因組以來，人類對基因組的合成已經(jīng)上升到了真菌界，人類可以創(chuàng)造出真核生物。

“基因組的合成包含對基因功能的驗(yàn)證、組合和優(yōu)化設(shè)計(jì)。”羅云孜說，其間，基因像一個個小的“電子元器件”，拼裝、運(yùn)行、驗(yàn)證，用于完成人們的生產(chǎn)生活目標(biāo)。

在微生物制造方面，進(jìn)行了基因電路改造的酵母已經(jīng)可以用于人參有效物質(zhì)的合成，例如皂苷等。羅云孜說：“合成植物來源化合物，需要多個基因組合表達(dá)，進(jìn)行改變優(yōu)化的東西很多。如何有效表達(dá)，如何調(diào)配不同基因的表達(dá)量，都要精確的程序設(shè)置。”

“我們需要回答的問題是，不同的基因元件，如何搭起來更有效、更精準(zhǔn)。”作為合成生物學(xué)家，羅云孜解釋，對于已知功能的基因，將其模塊化、基本化，用于進(jìn)一步的裝配研究，“然而人類對基因的功能并不是完全清楚。相較于電子元器件來說，裝配基因會更不穩(wěn)定，需要設(shè)計(jì)復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)予以證實(shí)”。

在醫(yī)學(xué)研究方面，我國已經(jīng)利用合成生物學(xué)建立起相關(guān)疾病的篩查和驗(yàn)證平臺。此外為了增加基因療法的安全性，楊光華團(tuán)隊(duì)還在進(jìn)行藥物控制免疫系統(tǒng)對癌細(xì)胞攻擊的研究。

楊光華介紹，團(tuán)隊(duì)此前構(gòu)建了可誘導(dǎo)的慢病毒載體，可實(shí)現(xiàn)通過給藥、停藥開關(guān)基因表達(dá)，通過藥物劑量來控制CAR-T療效的強(qiáng)弱，從而調(diào)控體內(nèi)免疫系統(tǒng)與癌細(xì)胞的“戰(zhàn)爭級別”。