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原创 果壳硬科技 我是科学家iScientist 合成生物学发展至今已有二十多年历史，主要关注在生物细胞层面上的功能，但是绝大多数的合成都局限在DNA领域，其回路由转录因子在转录层面调控，很少有直接合成蛋白质进行调控的设计。 尽管该领域已经有很多应用取得了进展，但仍存在一些效率和调控方面的问题。斯坦福大学生物分子工程的助理教授高小井及其课题组针对蛋白质回路在细胞间的交流展开了研究，相关研究结果发表在2月17日的nature communications《自然通讯》上。 转录回路有什么局限性 借助DNA设计实现的转录回路，学者们已经针对如何通过基因在细胞中设计新功能有了多方面研究。新设计的基因被整合进细胞，在各类酶的辅助下表达出能够实现功能的蛋白质。但作为这一过程的一部分，基因回路中的基因必须首先经历翻译过程，继而也存在着投递不方便、运行稳定性差等问题。
蛋白质翻译过程 | Wikimedia Commons，public domain “在意识到这些局限性之后，我们之前的工作首次实现了全蛋白层面的回路设计。”高小井告诉果壳，“相比于转录回路，蛋白回路的元件模块性较差，带来更多工程化上的不便，关键之处是我们决定使用切割特异序列的蛋白酶，解决了元件模块化的问题。” 之前的工作里，所有信号的输入、处理及输出都是在胞内完成的，无法实现调控胞间信号的功能，而胞间信号正是治疗各种疾病时要重点调控的对象。所以高小井课题组在研究中拓展了蛋白回路，使得蛋白酶可以调控几乎任何胞外蛋白，从而弥补了蛋白回路程平台的一个关键空缺技术。 蛋白回路有什么优势 新技术模仿了细胞自然运作的方式。每个细胞中都有一些蛋白质接收并向下游传递信息，通过信号分子影响回路中的下一个蛋白质。自然进行这类修改的一种方式是使用蛋白酶激活或抑制蛋白质发挥功能，新设计的合成蛋白质途径以同样的方式运作，为细胞增加新功能的同时不影响其正常功能发挥作用。 这个新平台还模拟了细胞之间分泌或在表层修饰蛋白的交流方式，以便邻近的细胞能够感知这些蛋白质并作出反应。高小井团队设计的这一途径被称为RELEASE（Retained Endoplasmic Cleavable Secretion），即保留的内质体可裂解分泌，它将这种分泌和显示蛋白质的能力添加到蛋白途径中，丰富了这些回路的作用。
RELEASE途径 | 参考文献[1] 细胞内部从某种角度来说十分拥挤，由于有修饰的帮助，这些蛋白质一般都知道它们应往何处。在RELEASE中，研究者可以修饰他们想要分泌的蛋白质，这个特定的标签使蛋白质被封存在细胞内，但它可以被一种特定的蛋白酶去除。当这种蛋白酶进入细胞酶切被标记的蛋白质，就能将特定的蛋白质从细胞中被释放出来。 该研究技术解决了“如何感知细胞状态，调控胞间信号以获得医疗效用”这一基础问题。一个直接的应用是感知癌症细胞，将其杀死并通过胞间信号动员免疫系统，使得免疫系统可以按图索骥杀死剩余的甚至是转移的癌细胞。 未来应用 这项科研成果的一个潜在应用是攻击那些由传统药物难以瞄准的突变蛋白质引起的癌症。对于这些癌症，科研团队设想了一种“回路即药物'的方法，其中携带回路的细胞子集将感知突变蛋白，并以两种方式作出反应：杀死突变细胞，但也分泌蛋白质，激活针对癌症的免疫反应。 蛋白质回路和RELEASE是实现方法的开始，此后还包括开发更多的平台，使蛋白质回路在未来充分参与细胞间的交流。这些措施包括增加传感器，使工程细胞对其环境的变化作出反应，并研究邻近的细胞如何对回路分泌的蛋白质作出反应。 “我们预期很快就有更好的细胞实验的结果，下一步要进入动物模型。之后能不能真正发展成为医疗技术要视结果而定。”高小井表示，“一个主要问题是我们的回路元件蛋白来自非人生物，可能会激发人体免疫反应，干扰回路功能甚至产生副作用。我们实验室有另一些课题正在着手解决这一问题。”目前该团队已将这一方法申请专利，正在探索初创公司的可能性。 致谢 感谢高小井教授对本文的审阅和建议。 高小井实验室诚请有志于合成生物学的学生和博后加盟！ 参考文献 [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:///10.1038/s41467-022-28623-y [2] https://www./news-releases/943941 作者：靳小明 编辑：酥鱼 排版：尹宁流 研究团队 通讯作者 高小井：北京大学生物学学士毕业，斯坦福大学生物学博士毕业，加州理工学院、生物与生物工程学院博士后。现为斯坦福大学助理教授。 论文信息 发布期刊 《自然通讯》 Nature Communications 发布时间 2022年2月17日 论文标题Protease-controlled secretion and display of intercellular signals （https:///10.1038/s41467-022-28623-y） 原标题：《斯坦福大学高小井团队开发合成生物学新方法，利用蛋白质直接调控细胞间信号》 |
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