斯坦福大學高小井團隊開發合成生物學新方法，利用蛋白質直接調控細胞間訊號

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合成生物學發展至今已有二十多年曆史，主要關注在生物細胞層面上的功能，但是絕大多數的合成都侷限在DNA領域，其迴路由轉錄因子在轉錄層面調控，很少有直接合成蛋白質進行調控的設計。

儘管該領域已經有很多應用取得了進展，但仍存在一些效率和調控方面的問題。斯坦福大學生物分子工程的助理教授高小井及其課題組針對蛋白質迴路在細胞間的交流展開了研究，相關研究結果發表在2月17日的nature communications《自然通訊》上。

轉錄迴路有什麼侷限性

藉助DNA設計實現的轉錄迴路，學者們已經針對如何透過基因在細胞中設計新功能有了多方面研究。新設計的基因被整合進細胞，在各類酶的輔助下表達出能夠實現功能的蛋白質。但作為這一過程的一部分，基因迴路中的基因必須首先經歷翻譯過程，繼而也存在著投遞不方便、執行穩定性差等問題。

蛋白質翻譯過程 | Wikimedia Commons，public domain

“在意識到這些侷限性之後，我們之前的工作首次實現了全蛋白層面的迴路設計。”高小井告訴果殼，“相比於轉錄迴路，蛋白迴路的元件模組性較差，帶來更多工程化上的不便，關鍵之處是我們決定使用切割特異序列的蛋白酶，解決了元件模組化的問題。”

之前的工作裡，所有訊號的輸入、處理及輸出都是在胞內完成的，無法實現調控胞間訊號的功能，而胞間訊號正是治療各種疾病時要重點調控的物件。所以高小井課題組在研究中拓展了蛋白迴路，使得蛋白酶可以調控幾乎任何胞外蛋白，從而彌補了蛋白迴路程平臺的一個關鍵空缺技術。

蛋白迴路有什麼優勢

新技術模仿了細胞自然運作的方式。每個細胞中都有一些蛋白質接收並向下遊傳遞資訊，透過訊號分子影響迴路中的下一個蛋白質。自然進行這類修改的一種方式是使用蛋白酶啟用或抑制蛋白質發揮功能，新設計的合成蛋白質途徑以同樣的方式運作，為細胞增加新功能的同時不影響其正常功能發揮作用。

這個新平臺還模擬了細胞之間分泌或在表層修飾蛋白的交流方式，以便鄰近的細胞能夠感知這些蛋白質並作出反應。高小井團隊設計的這一途徑被稱為RELEASE（Retained Endoplasmic Cleavable Secretion），即保留的內質體可裂解分泌，它將這種分泌和顯示蛋白質的能力新增到蛋白途徑中，豐富了這些迴路的作用。

RELEASE途徑 | 參考文獻［1］

細胞內部從某種角度來說十分擁擠，由於有修飾的幫助，這些蛋白質一般都知道它們應往何處。在RELEASE中，研究者可以修飾他們想要分泌的蛋白質，這個特定的標籤使蛋白質被封存在細胞內，但它可以被一種特定的蛋白酶去除。當這種蛋白酶進入細胞酶切被標記的蛋白質，就能將特定的蛋白質從細胞中被釋放出來。

該研究技術解決了“如何感知細胞狀態，調控胞間訊號以獲得醫療效用”這一基礎問題。一個直接的應用是感知癌症細胞，將其殺死並透過胞間訊號動員免疫系統，使得免疫系統可以按圖索驥殺死剩餘的甚至是轉移的癌細胞。

未來應用

這項科研成果的一個潛在應用是攻擊那些由傳統藥物難以瞄準的突變蛋白質引起的癌症。對於這些癌症，科研團隊設想了一種“迴路即藥物“的方法，其中攜帶回路的細胞子集將感知突變蛋白，並以兩種方式作出反應：殺死突變細胞，但也分泌蛋白質，啟用針對癌症的免疫反應。

蛋白質迴路和RELEASE是實現方法的開始，此後還包括開發更多的平臺，使蛋白質迴路在未來充分參與細胞間的交流。這些措施包括增加感測器，使工程細胞對其環境的變化作出反應，並研究鄰近的細胞如何對迴路分泌的蛋白質作出反應。

“我們預期很快就有更好的細胞實驗的結果，下一步要進入動物模型。之後能不能真正發展成為醫療技術要視結果而定。”高小井表示，“一個主要問題是我們的迴路元件蛋白來自非人生物，可能會激發人體免疫反應，干擾迴路功能甚至產生副作用。我們實驗室有另一些課題正在著手解決這一問題。”目前該團隊已將這一方法申請專利，正在探索初創公司的可能性。

致謝

感謝高小井教授對本文的審閱和建議。

高小井實驗室誠請有志於合成生物學的學生和博後加盟！

參考文獻

［1］ Vlahos， A。E。， Kang， J。， Aldrete， C。A。 et al。 Protease-controlled secretion and display of intercellular signals。 Nat Commun 13， 912 （2022）。 https：//doi。org/10。1038/s41467-022-28623-y

［2］ https：//www。eurekalert。org/news-releases/943941

作者：靳小明

編輯：酥魚

排版：尹寧流

研究團隊

通訊作者 高小井：北京大學生物學學士畢業，斯坦福大學生物學博士畢業，加州理工學院、生物與生物工程學院博士後。現為斯坦福大學助理教授。

論文資訊

釋出期刊 《自然通訊》 Nature Communications

釋出時間 2022年2月17日

論文標題Protease-controlled secretion and display of intercellular signals （https：//doi。org/10。1038/s41467-022-28623-y）

原標題：《斯坦福大學高小井團隊開發合成生物學新方法，利用蛋白質直接調控細胞間訊號》