生物學(xué)家通過(guò)精巧的基因電路設(shè)計(jì)和火力全開(kāi)的免疫因子，避開(kāi)健康細(xì)胞成功識(shí)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。《細(xì)胞》雜志近期刊登的這個(gè)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(lèi)機(jī)器人？

且慢，別急著思考倫理問(wèn)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(kāi)關(guān)”細(xì)胞的行動(dòng)。

近日，《細(xì)胞》雜志刊登美國(guó)麻省理工學(xué)院盧冠達(dá)團(tuán)隊(duì)的研究成果，他們?cè)O(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?qǐng)?bào)記者日前專(zhuān)訪了兩位“千人計(jì)劃”專(zhuān)家，分別解答該研究中兩個(gè)科學(xué)領(lǐng)域的問(wèn)題。

造個(gè)“特洛伊木馬”，幫“信號(hào)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(duì)象——癌細(xì)胞說(shuō)起。

眾所周知，癌細(xì)胞無(wú)限繁殖，這個(gè)特點(diǎn)只有它“扎堆”的時(shí)候才能顯現(xiàn)出來(lái)。機(jī)體要?dú)鐔蝹€(gè)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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室羅云孜說(shuō)，“癌基因、原癌基因等會(huì)在癌細(xì)胞中被激活，使正常細(xì)胞發(fā)生癌變。這個(gè)研究中用的是cMYC、E2F1(基因名)兩個(gè)轉(zhuǎn)錄因子基因?！?/p>

也就是說(shuō)這兩個(gè)基因在癌細(xì)胞中異?；钴S，而正常細(xì)胞中它們相對(duì)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(gè)鑰匙同時(shí)開(kāi)鎖，才會(huì)被打開(kāi)。

羅云孜解釋?zhuān)谝话谚€匙打開(kāi)的反應(yīng)不會(huì)進(jìn)行到底，“第一個(gè)啟動(dòng)子啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄，生成的mRNA(信使RNA)會(huì)在尾部有個(gè)特別的結(jié)構(gòu)，能和細(xì)胞內(nèi)的微小RNA結(jié)合(miR1)，不會(huì)繼續(xù)進(jìn)行蛋白翻譯的步驟。只有當(dāng)?shù)诙€(gè)啟動(dòng)子啟動(dòng)的轉(zhuǎn)錄生成了另一段序列，走過(guò)來(lái)把miR1帶走，蛋白翻譯才會(huì)繼續(xù)進(jìn)行”。

這種兩把鑰匙合作開(kāi)一把鎖的模式，在集成電路中被稱(chēng)為“與門(mén)”結(jié)構(gòu)。盧冠達(dá)表示，是受“與門(mén)”的啟發(fā)，想到設(shè)計(jì)這個(gè)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?！安《厩秩?，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(shuō)，總的來(lái)說(shuō)，這套裝置就像特洛伊木馬，將信號(hào)兵帶進(jìn)癌細(xì)胞的城池，而只有兩把鑰匙共同打開(kāi)木馬上的鎖，信號(hào)兵才會(huì)出來(lái)發(fā)信號(hào)。

“這個(gè)設(shè)計(jì)雖然使用已知基因元件，但并不簡(jiǎn)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(méi)有關(guān)聯(lián)性，確保只啟動(dòng)癌細(xì)胞中的‘電路’，不會(huì)對(duì)正常細(xì)胞產(chǎn)生影響?！绷_云孜說(shuō)，研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)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(gè)“雙保險(xiǎn)”的開(kāi)關(guān)。羅云孜說(shuō)：“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(duì)正常細(xì)胞的誤傷率?！?/p>

在癌細(xì)胞里安插了準(zhǔn)確的“信號(hào)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(kāi)啟對(duì)癌細(xì)胞的“征討”。

煙霧彈、信號(hào)彈、照明彈、遠(yuǎn)程長(zhǎng)短炮……火力齊發(fā)

一旦信號(hào)兵放倒“消息樹(shù)”，身體內(nèi)的免疫系統(tǒng)將會(huì)被調(diào)動(dòng)起來(lái)。接下來(lái)的實(shí)戰(zhàn)，是一場(chǎng)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(shù)”的“信號(hào)兵”，另一頭，合成了完備的全功能攻擊戰(zhàn)斗團(tuán)。

為啥這個(gè)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€(gè)不同角色的腫瘤對(duì)抗基因聯(lián)合起來(lái)編隊(duì)。

戰(zhàn)斗團(tuán)編隊(duì)有4個(gè)，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(shí)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(duì)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?zhuān)癈CL21，像信號(hào)彈，所有的T細(xì)胞火力將循著身體里的這個(gè)信號(hào)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?！?/p>

其中最斗智的是“PD-1抑制”的設(shè)計(jì)，它專(zhuān)門(mén)針對(duì)癌細(xì)胞這個(gè)“戲精”。“癌細(xì)胞會(huì)‘扮演’成正常細(xì)胞?！睏罟馊A說(shuō)，“其表面出現(xiàn)PD-L1與T細(xì)胞表面的PD-1結(jié)合，會(huì)騙過(guò)T細(xì)胞，而PD-1抑制的‘元件’像‘煙霧彈’阻擋假象對(duì)T細(xì)胞的干擾?！?/p>

“癌細(xì)胞有應(yīng)激反應(yīng)，會(huì)越戰(zhàn)越精，所以4種不同方法并用，應(yīng)對(duì)狡猾的癌細(xì)胞?！绷_云孜說(shuō)，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(kāi)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(kāi)啟對(duì)腫瘤細(xì)胞全方位的識(shí)別?！把芯刻岢隽艘粋€(gè)治療新理念——免疫基因電路平臺(tái)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?！?/p>

拼裝、運(yùn)行、驗(yàn)證，基因就像一個(gè)個(gè)小的“電子元器件”

今年3月，《科學(xué)》雜志刊出專(zhuān)刊，總結(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(guó)學(xué)者作為通訊作者發(fā)表的。羅云孜說(shuō)：“他們的工作主要是人工合成了酵母的基因組?！?/p>

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

“基因組的合成包含對(duì)基因功能的驗(yàn)證、組合和優(yōu)化設(shè)計(jì)?！绷_云孜說(shuō)，其間，基因像一個(gè)個(gè)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(shuō)：“合成植物來(lái)源化合物，需要多個(gè)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?！?/p>

“我們需要回答的問(wèn)題是，不同的基因元件，如何搭起來(lái)更有效、更精準(zhǔn)?！弊鳛楹铣缮飳W(xué)家，羅云孜解釋?zhuān)瑢?duì)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(lèi)對(duì)基因的功能并不是完全清楚。相較于電子元器件來(lái)說(shuō)，裝配基因會(huì)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(guó)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(tái)。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(duì)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(guò)給藥、停藥開(kāi)關(guān)基因表達(dá)，通過(guò)藥物劑量來(lái)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(zhēng)級(jí)別”。記者 張佳星