• 光、磁场、温度、机械力、超声波和电等多种物理信号已被广泛用于合成生物学中的基因表达调控、基因编辑和操纵细胞行为。

• 与传统的小分子诱导系统相比，物理信号控制的合成遗传电路具有许多优点，包括非侵入性、良好的组织穿透性、时空精度、实时监控和模块化。

• 理解物理信号诱导的合成遗传电路的基本机制可以推动生物医学、治疗性可穿戴设备、生物电子学和智能生物材料的发展和进步。

• 解决物理信号诱导的遗传方法面临的当前的挑战对于充分释放其临床转化和个性化医疗的潜力至关重要。

合成生物学中物理信号诱导系统的动机

合成生物学站在跨学科创新的前沿，无缝地整合了生物学、工程学、计算机科学、物理学和化学的原理。通过利用标准化的基因模块和计算工具，合成生物学家可以修改细胞以执行特定任务并产生有价值的输出，甚至设计具有预定义功能和目的的全新生物体。合成生物学的潜在应用广泛且跨越多个学科，深刻影响着遗传控制、细胞行为调节、个性化医疗、靶向治疗和先进诊断等领域。在过去的几十年里，合成生物学在检测和响应内部和外部信号的能力方面取得了显著的进步。哺乳动物细胞中的开创性合成系统之一是 Tet-On/Tet-Off 系统，该系统于 1990 年代引入，能够通过多西环素类似物控制诱导转基因表达。在 2000 年代，基本的遗传电路，例如拨动开关和抑制器，首次被引入原核生物中。这些创新很快在哺乳动物系统中得到了应用和进一步发展，展示了利用合成元件对细胞行为进行编程的潜力。从那时起，许多小分子诱导的转基因开关被开发出来，用于操纵基因表达或调节细胞行为。这些诱导剂包含多种化学和生物化合物，从食物来源的分子、内源性生物标志物、抗生素、非天然氨基酸和化妆品化合物到植物-衍生分子、肽和合成化合物（如雷帕霉素）。

除了小分子之外，自 2000 年代中期光遗传学诞生以来，合成生物学家还开发了各种物理信号诱导系统来精确调节靶蛋白表达，从而能够使用光作为控制机制 。这是一场变革之旅的开始，其标志是前所未有的进步和创新。光遗传学不仅丰富了我们对细胞过程的理解，而且通过磁遗传学（磁场）、热遗传学（热）、力遗传学（机械力）、声遗传学（超声波）和电遗传学（电）。这些方法中的每一种都具有特定的优点，例如非侵入性、良好的组织穿透性、高特异性、稳定性、可扩展性、模块化和可制造性。事实上，将物理信号整合为合成基因控制的触发器代表了合成生物学的一种范式转变，为研究人员提供了一个多功能工具包来协调基因表达和调节细胞行为，并允许以极高的精度调节工程生物体中的稳定输出。

鉴于物理信号在基因表达、基因编辑、细胞行为、材料科学、临床转化等方面的关键作用，我们在此阐明了响应这些信号的合成遗传电路合理设计背后的复杂机制。了解物理信号的原理和重要性将帮助我们开发个性化医疗和其他生物应用的新策略。因此，在这篇综述中，我们探讨了工程哺乳动物细胞中物理信号控制的蛋白质表达和分泌领域的前沿进展

小分子调控的基因开关详见综述：
[1]Mansouri, M and Fussenegger, M (2024). Small-molecule regulators for gene switches to program mammalian cell behaviour. ChemBioChem 25, e202300717; [2]Kis Z. et al. (2015). Mammalian synthetic biology: emerging medical applications. J. R. Soc. Interface 12, 20141000;  
[3]Doshi A. et al. (2020). Small-molecule inducible transcriptional control in mammalian cells. Crit. Rev. Biotechnol. 40, 1131–1150) 。

我们首先对遗传工具和合成策略的最新进展进行了全面探讨，说明如何对细胞进行改造以感知不同的物理信号并以受控方式产生所需的输出。接下来，我们将重点介绍物理信号驱动电路在合成生物学中的具体优势，并探讨不同物理信号诱导系统之间的互连和重叠。此外，我们还讨论了可以进一步增强这些系统的潜在改进方向。最后，我们讨论了这些系统在临床转化中的挑战和前景。

光遗传学

光不仅对于人类和高等多细胞生物的视觉至关重要，而且对于有机化合物的合成以及植物和许多细菌的环境传感也很关键。例如，对于人类来说，光照可以调节昼夜节律，影响睡眠模式和激素释放，从而影响情绪、生产力和整体健康。光遗传学是一种尖端的跨学科技术，结合了光学和遗传学的原理，能够利用光控制和操纵细胞及其行为。它为控制细胞行为提供了许多优势，包括精确性、非侵入性、高时空分辨率、优异的可逆性、极小的副作用以及强大的模块化和多功能性。这种强大的技术彻底改变了神经科学和合成生物学领域，使研究人员能够以前所未有的精度研究复杂的神经回路和细胞行为。

光遗传学的起源可以追溯到 20 世纪 70 年代初微生物中光敏蛋白的发现（例如细菌视紫红质（BR））。这些蛋白质在光的作用下发生构象变化，成为开发光遗传学工具的原型。光遗传学的关键时刻发生在 2000 年代中期，当时研究人员开始设计光敏蛋白，特别是通道视紫红质 （ChRs） 和嗜盐菌视紫红质 （HRs），以应用于哺乳动物细胞。这种创新方法使科学家能够以前所未有的精度选择性激活或抑制特定神经元，彻底改变了神经回路的研究和操纵。随后，开发了利用天然和工程光感受器或光传感器的光遗传学系统来调节许多细胞过程，例如基因表达、相分离、基因编辑、细胞器和细胞运动等。光遗传学技术的不断发展创造了广泛的光敏蛋白工具箱。

光传感器的类型

光感受器或光传感器可以根据其功能和起源分为几组。第一组包括 I 型微生物视蛋白，存在于原核和真核微生物中，例如细菌、古细菌和藻类 （图 1A）。例如，ChR 是源自绿藻的光门控阳离子通道，可响应蓝光，导致细胞去极化和激活。其他 I 型视蛋白包括 BR（在海洋细菌中充当光驱动质子泵）和 HR（在 Haloarchaea 中发现），其充当光驱动氯泵 。II 型视蛋白构成了一个 G 蛋白偶联受体 （GPCR） 家族，主要与脊椎动物的视力和昼夜节律调节相关（图 1B）。这些视蛋白在吸收光后发生构象变化，启动细胞内信号级联，将光刺激转化为发送至大脑的电信号。II 型视蛋白的例子包括视紫红质 （Rh1）、视锥细胞视蛋白和黑视蛋白，它们分别存在于视杆细胞、视锥细胞和视网膜神经节细胞中 。这些视蛋白已被用于探测视觉的分子机制，并用于开发光敏 GPCR，用于神经科学中的光遗传学应用。

第三组包括可以通过光调节的非视蛋白光激活蛋白。这些工程或天然存在的蛋白质对特定的光波长做出反应，从而能够精确控制细胞过程（图 1C–J）。这些光感受器存在于不同的物种中（从细菌和真菌到植物和动物的各种物种不等），包括植物光敏色素 B （PhyB），它会响应红光或远红光而发生构象变化 （图 1C）；隐花色素 （Crys）则作为蓝光或紫外线（UV）受体，调节昼夜节律和光形态发生（图 1D）。光-氧-电压 （LOV） 结构域是对蓝光响应的小蛋白质模块（图 1E），而 UVR8 是对 UVB 光响应至关重要的植物特异性光感受器（图 1F）。此外，某些细菌中的细菌光敏色素 P1 （BphP1） 对红光和近红外 （NIR） 光有反应（图 1G）。基础生物学和合成生物学中使用的其他著名的光激活蛋白包括 Magnet 系统（图 1H）、Dronpa（图 1I）、光裂解 （PhoCl） 蛋白（图 1J）、光激活 GFP (PA-GFP) 、蓝光利用黄素腺嘌呤二核苷酸 (BLUF) 、EL222 和 Beggiatoa 光激活腺苷酸环化酶 (bPAC)。在过去的二十年中，这些光感受器经历广泛的工程化改造，成为了合成生物学中的光遗传学工具。事实上，工程化或嵌合光敏蛋白已被开发，用于检测从 UV （280 nm） 到 NIR （780 nm） 的广谱波长（图 1K），为实验设计提供了极大的灵活性。

光遗传学工具的机制

光遗传学控制是通过多种机制实现的，包括变构光开关、光诱导的同二聚化或寡聚化以及光触发的蛋白质-蛋白质相互作用 (PPIs)，例如异源二聚化和结合/解离过程。光诱导的自我切割和光诱导的信号通路转导也是常见的方法。

通常，在光子吸收后，光活化蛋白质迅速经历构象转变。一些光敏感的蛋白质通过结合一种对光有反应的色素来感应光，例如视蛋白中的视黄醛或 LOV 中的黄素，而其他光敏蛋白，例如 PhyB、EL222、UVR8 和特定的 Cry 变体，独立于发色团运行。由此产生的构象转变决定了蛋白质功能活性的激活或抑制，例如，这可能表现为酶激活、通道门控或 DNA 结合域 （DBD） 的暴露/隐藏。蛋白质的这种激活或抑制状态随后与下游信号分子结合，传播引起基因表达、离子通量、质子泵抑制剂或其他靶向细胞反应变化的细胞内信号（图 1）。

值得注意的是，这些光诱导的构象转变通常是可逆的（图 1A-I），通过交替曝光和黑暗，或利用不同的光波长，促进活性和非活性状态之间的切换。例如，在吸收蓝光后，ChR 会发生构象转变，激活阳离子通道，促进钠和钾等离子的流入，最终导致细胞去极化和激活 。相反，红光或远红光吸收会诱导光敏色素发生构象变化，暴漏核定位信号，从而实现信号转移入核和随后的基因表达调节（图 1A）。此外，蓝色或紫外线吸收会诱导隐花色素发生构象变化，促进与昼夜节律和光形态发生相关的信号效应器的相互作用。

光遗传学的应用

合成光遗传学工具在各种生物环境中都有不同的应用。传统的光激活跨膜受体通常用于光诱导的基因表达，它们通常与细胞的内源性信号通路（例如钙离子信号通路）相结合。通过将目标基因放置在对光刺激响应的合成启动子下游，这些受体能够实现基因的光控表达（图 1C-E，I）。一种常见的方法是将光敏蛋白与包含激活域 （AD） 的合成转录因子融合，例如 VP16、VP64 和 VPR，以及 DBD，包括四环素依赖性阻遏蛋白 （TetR）、VanR 和 Gal4（图 1C，G）。这种融合促进了对基因表达、细胞信号传导和 PPI 的可逆、光诱导控制。Cre-loxP 和 Flp-FRT 系统代表了广泛用于基因工程的位点特异性重组酶技术，以促进哺乳动物细胞内的靶向 DNA 修饰、删除或插入。为了赋予 Cre 重组酶光依赖性活性，可以将其与光敏结构域融合，例如 LOV 结构域或 CRY2/CIB1 系统（图 1D）。在蓝光照射下，这种融合会激活 Cre 重组酶，从而实现 loxP 位点之间的位点特异性重组。类似的方法可以应用于 Flp-FRT 和 Dre-rox 系统，使其具有光诱导性，从而精确控制 DNA 修饰。为了实现哺乳动物细胞基因组编辑的光遗传学控制，光遗传学模块可以与 Cas9、分裂 Cas9、失活 Cas9 （dCas9）或碱基编辑器整合，以实现光激活基因编辑、光可调转录激活或抑制、以及光可逆的抑制或碱基编辑（图 1E）。

此外，将光感知模块与核定位信号（NLS）或核输出信号（NES）融合，可以实现对细胞核与细胞质之间的光依赖性转运控制，增强合成转录装置的多功能性。同样，光遗传学工具也被设计用于将蛋白质招募到特定的细胞区室，例如细胞膜、线粒体和内质网。此外，细胞表面受体的光遗传学控制也取得了重大进展，包括受体酪氨酸激酶和 T 细胞受体，以及光响应细胞内激酶。这些进展极大地扩展了光遗传学工具的功能，使其能够高精度地调控基因表达、调节信号通路、探索代谢动态并控制细胞行为。

此外，光遗传学工具已被用来调节 RNA 生物学的各个方面，包括 RNA 转录、剪接、定位、稳定性和翻译。例如，最近光诱导二聚化结构域与 RNA 结合结构域融合，能够在光刺激下与目标 RNA 序列结合，并抑制 RNA 终止子茎环结构的形成。通过整合各种效应结构域和酶，例如 Liu 等人描述的，通过光介导的控制可以实现 RNA 转运、可变剪接、mRNA 翻译、RNA 降解和基因组位点标记。光遗传学控制已成为研究和操纵脂质-脂质相分离（LLPS）的有效工具，LLPS 是调节细胞膜和细胞器组织和分区的关键过程。最近，在启动子附近设计的光遗传学合成转录因子用来进行液-液相分离，增强了哺乳动物细胞和小鼠的最多五倍的转录激活。蛋白水解靶向嵌合体 （PROTAC） 作为异源双功能分子，旨在将靶蛋白招募到细胞泛素蛋白酶体系统中进行降解 。光控 PROTAC（Opto-PROTAC）代表了化学生物学和光遗传学的突破性融合，提供了一种具有前所未有的时空精度的靶向蛋白质降解的创新方法。此外，可穿戴电子设备在现代社会中已经变得无处不在。Maysam 和合作者利用这一趋势将光遗传学工具与智能可穿戴设备相结合，设计了一种由智能手表控制的绿色光操作的无痕基因开关，旨在用于实验性 2 型糖尿病的治疗。这种创新方法将光遗传学干预与现实世界的可穿戴电子设备无缝连接。

总之，这些多样化的方法为研究人员提供了一个多功能工具包，用于设计复杂的光遗传学设备，以满足哺乳动物系统中的特定实验极高的精度需求。通过利用与效应域融合的光敏蛋白，研究人员可以通过光激活来调节广泛的细胞活动。事实证明，这些工具在调控神经元活动、控制基因表达、调节信号通路以及以高时空分辨率协调蛋白质降解和相互作用方面不可或缺。此外，光遗传学技术在探索细胞动力学方面也发挥着关键作用，例如基因组编辑、RNA 调控、液相分离、膜运输、细胞骨架组织和细胞器运动，展示了它们在操纵生物过程中的多功能性。总体而言，光遗传学工具提供了解析复杂生物系统的强大手段，为哺乳动物细胞的细胞功能、疾病机制和潜在治疗途径提供了宝贵的见解。

磁遗传学

磁遗传学是一个新兴的跨学科领域，结合了遗传学、分子生物学和磁学，通过磁场设计非侵入性调控细胞过程的方法。在合成生物学中，磁遗传学的目标包括工程化设计细胞对磁刺激的响应，从而能够以无与伦比的时空精度精确控制生物现象。

▲ 图 2：磁响应蛋白与磁基因工程策略。(A), 磁控神经元活动和动物行为的磁热转导机制。将异位过表达瞬时受体电位 1 (TRPV1)通道的靶细胞或组织植入具有磁响应性的 Mn Fe2O4 纳米颗粒(NPs)。施加射频磁场通过纳米颗粒诱导局部温度升高，并通过 TRPV1 通道触发钙离子内流以响应温度升高。这种钙离子内流可用于调节下游基因表达和细胞行为。(B), 磁控的磁机械转导机理。用 Myc 抗体片段修饰的铁磁性纳米颗粒与 Myc 标记的 Piezo1 通道相互作用。当施加旋转磁场时，这些磁性颗粒作为磁力矩器，对 Piezo1 通道施加机械力，从而诱导钙离子内流，以调节神经元的活动和行为。(C), 磁控的磁电转导机理。在该体系中，BiFeO3 包覆的 CoFe2O4 NPs 在磁场作用下产生氧化自由基。这些自由基已经被证明可以在阿尔茨海默病小鼠模型的离体脑组织中解离β -淀粉样蛋白聚集体。缩写：TM，跨膜结构域。

磁遗传工具的磁热传导

2010 年，来自布法罗大学的 Heng Huang 及其同事率先在磁热传导的磁遗传学工具领域进行了开创性探索，他们通过磁性加热纳米颗粒（NPs）实现了远程调控离子通道和神经元行为。他们利用铁酸锰纳米颗粒靶向表达热敏离子通道 TRPV1 的细胞，证明了射频 （RF） 磁信号可以诱导纳米颗粒介导的加热，从而引发 TRPV1 通道打开和钙离子的流入（图 2A）。当这些纳米颗粒被内化到秀丽隐杆线虫的感觉神经元中时，通过射频磁场实现了活体动物的远程行为控制。随后，来自加州大学的 Ritchie Chen 和合作者利用这种方法无线刺激小鼠的深部大脑区域，诱导目标大脑区域内特定神经元亚群及其相关投射的兴奋。在随后的研究中，人们探索了基于磁热的控制方法来调节葡萄糖水平、激素稳态、温度感觉、神经回路和各种小鼠行为。磁热传导，即磁能与热能的转换，是这些方法的基础。从机制上讲，暴露于交变磁场（AMF）的磁性材料或纳米颗粒会经历快速的磁方向变化，主要通过尼尔和布朗弛豫机制产生热量（图 2A）。

磁遗传工具的磁机械传导

除了磁热传导之外，磁力传导和磁电传导策略也引起了人们的广泛关注。磁机械转导需要通过静态磁场及其梯度作用于 NP 磁矩，对细胞靶标施加力或扭矩 。在此框架内，磁性镊子可作为探测目标细胞生物力学的宝贵工具，磁性纳米颗粒可促进磁力和扭矩的传递，从而调节细胞信号通路。Lee 和同事设计了一种磁性工具包，包括一个纳米级磁扭矩致动器和一个圆形磁体阵列，能够在大约 70 厘米的操作范围内向细胞施加皮牛顿级的力（图 2B）。将该工具包注射到小鼠体内后，通过对表达机械敏感离子通道 Piezo1 的神经元进行磁刺激，实现了一致且可重复的神经调节。磁场的非侵入性特性加上其穿透深层组织的能力，使得磁力转导对于体内应用，特别是在神经科学领域特别有吸引力（图 2A，B）。

磁遗传工具的磁电转导

磁电转换是一种有趣的现象，它可以在不需要直接电连接的情况下，实现磁信号和电信号之间的相互转换。在磁遗传学和合成生物学领域，这种机制为通过磁场远程调节生物过程提供了独特的途径。在交变磁场（AMFs）存在的情况下，磁电转换取决于磁致伸缩核心和压电壳之间的相互作用，产生能够改变膜电位并激活电压门控离子通道的偶极子。例如，Kozielski 及其同事率先开发了一种可注射的磁电纳米电极，该电极可以将电信号无线传输到大脑，从而调节小鼠对外部磁场的反应行为。这种方法的一个显著优点是它不需要对神经元进行基因修饰。与此同时，Jang 和合著者合成了磁电 BiFeO3 涂层 CoFe2O4（BCFO）纳米颗粒，当暴露于低频磁场时，会发射激发的电荷载流子而不产生热量。他们证明了 BCFO 纳米颗粒通过与小鼠体内的水和溶解氧分子相互作用发生的磁电耦合效应，有效地解离了 β-淀粉样蛋白聚集体。

探索直接响应磁场的磁感受器

另一种磁遗传学策略涉及直接设计对磁场有响应的蛋白质，从而避免纳米颗粒的参与。2015 年，Long 等人在 HEK-293 细胞和培养的海马神经元中过表达外源磁感受器铁硫簇组装蛋白 1（Isca1，也称为 MagR），当暴露于外部磁场会导致膜去极化和钙流入。他们还声称，在转基因线虫中表达带有该磁受体 myo-3 特异性肌肉细胞或 mec-4 特异性神经元，施加外部磁场会诱导肌肉收缩和缩回行为。然而，Pang 和同事反驳了这些发现，表明仅过表达 MagR 无法在磁刺激后在 HEK-293 细胞或原代神经元中引发细胞或神经钙反应。有趣的是，这些作者观察到当 MagR 与 ChR 共表达时，海马神经元中的钙流入虽然增加，但这是对光学刺激而不是磁刺激的反应。尽管 Long 和 Zhang 在 2018 年回应了这些批评，但 MagR 在磁遗传学中的作用和应用仍然存在争议，尚未有独立研究小组的后续积极报告。此外，研究人员还通过荧光标记铁蛋白的过度表达在大肠杆菌中探索了磁控制策略，并且未来或将其范围扩展到哺乳动物细胞调控中。

总之，磁遗传学和合成生物学的融合提供了多功能的工具和方法，为研究人员提供了设计响应遗传和磁信号的可编程细胞系统的创新方法。通过在合成构造物中嵌入磁响应元件，这种综合方法能够对细胞行为进行复杂的调控，特别是在神经科学领域，并预示着生物技术、医学和生物工程领域变革的可能性。这在基于光的方法本质上受限的环境中尤为重要，例如深层组织或不透明的设备。

热遗传学

热遗传学是一个利用温度敏感的基因工具来精确调控活体系统中基因或细胞活动的动态领域。这项创新技术跨越了多个科学和生物医学学科，尤其在神经科学和合成生物学领域有着重要应用。近年来，研究人员在设计响应环境温度变化的合成基因开关方面取得了重大进展。多种热源已被用于生物应用，包括红外（IR）激光辐射、阳光、加热垫、聚焦超声波、体热、机械振动、光热脉冲等（图 3A）。热源的这种多功能性扩大了多样性实验的范围，并使得在各种生物背景下控制细胞过程和基因表达动态成为可能。

热遗传学利用热敏蛋白或离子通道来远程调节神经元活动并以非侵入性方式调节基因表达以响应温度变化。值得注意的是，瞬时受体电位 （TRP） 通道，例如热敏阳离子通道 TRPV1，已引发广泛关注。通过在某些细胞中以基因编码的方式，引入对温度敏感的离子通道（例如 TRPV1 通道），研究人员可以通过调节温度来刺激或抑制细胞功能。这种方法在神经科学中发挥了重要作用，促进了对神经回路、行为模式和疾病机制的研究。前文我们深入探讨了利用磁场通过 NP（磁热机制）诱导产生热量。接下来，我们将重点讨论合成生物学领域的热传感器的设计。

▲ 图 3：热响应蛋白和热产生的工程策略。（A）各种热源已被用于生物应用，包括光学激光器、热垫、聚焦超声、太阳光、人体热和其他。（B）基于 TRPA1 的热产生的工具。TRPA1 在哺乳动物细胞中异位表达以响应温度升高，导致钙离子内流，可用于调节神经元活动。（C）基于热冲击因子 HSF-1 热产生的体系。当环境温度从 37°C 升高到 42°C 时，HSF 蛋白发生构象变化，形成同源三聚体，这些同源三聚体与热休克元件（ heat shock element，HSE ）结合并激活下游基因表达。（D）基于 TlpA 的热产生的系统。TlpA 是一种温度感应的卷曲螺旋蛋白，当温度升高到 40℃时，其卷曲螺旋结构域展开。当与 DNA 结合（BD）和激活（AD）结构域融合时，工程化的 TlpA 蛋白可以响应环境温度诱导基因表达。（E）基于瞬时受体电位 1 （TRPV1）的热产生系统。在这个系统中，TRPV1 在工程化的β细胞中过表达响应温度，以调节钙离子内流。钙离子内流诱导细胞去极化，导致靶蛋白从颗粒囊泡中释放到细胞外。（F）基于 TRPM8 的热产生的系统。TRPM8 是一种低温诱导的钙离子通道，在工程化的哺乳动物细胞中过表达。TRPM8 的激活发生在较低的环境温度下，导致钙离子内流，可与活化 T 细胞核因子（ nuclear factor of activated T cells，NFAT ）偶联用于基因表达的调控。缩写：G.O.I，目的基因；Ins、胰岛素。

哺乳动物细胞热控制系统的开发

2013 年，Kiyonaka 等人利用沙门氏菌的热敏蛋白 TlpA 的串联排列，率先开发了开发了基于绿色荧光蛋白（GFP）的基因编码热传感器（tsGFPs）。这一创新使得我们能够在 HeLa 细胞的不同细胞器内观察热生成情况，提供了一种在活细胞中评估热生成的非侵入性方法。随后，Ermakova 等人异源表达并多次利用红外激光诱导加热，激活了包括神经元在内的各种细胞类型中的蛇热传感器 TRPA1 通道。将量子传感器集成到光纤探针中，通过极其温和、精确的组织加热，以单细胞分辨率激活神经元。

对于哺乳动物来说，将体温维持在 37°C 对热控制系统造成了限制。迄今为止，工程哺乳动物细胞已被设计成对升高或降低的温度做出反应。Miller 团队率先开发了用于远程转录控制的热开关，通过利用热脉冲将热休克蛋白 HSP70B （HSPA6） 启动子整合到 Jurkat T 细胞中（图 3C）。与此同时，Stefanov 及其同事制作了一种基因编码蛋白质温度计，可响应 37°C 至 40°C 之间的温度，促进工程人类细胞系中的转基因表达 。当将微囊化的设计细胞（经过改造产生热调控的胰岛素）植入患有 1 型糖尿病 （T1DM） 的小鼠并进行局部热疗时，血糖恢复正常（图 3D）。在此基础上，Stefanov 的团队进一步修饰了 β 细胞，使其具有可控 TRPV1 介导的钙内流，从而调节储存蛋白的释放以响应热垫或阳光（图 3E）。此外，热量可以促进嵌合抗原受体（CAR）和细胞因子的表达，增强工程化 T 细胞对靶肿瘤细胞的杀伤力，这是细胞免疫疗法的关键进展。进一步的创新包括 Piraner 及其同事开发的热诱导蛋白质二聚化结构域。这项创新允许以时空精度远程控制细胞内蛋白质-蛋白质相互作用，满足广泛的生物和治疗应用。

开发用于治疗目的的工程化凉爽感应蛋白

与这些热诱导系统（>37°C）相反，柏鹏等人设计了一种多功能转基因开关，能够响应凉爽环境（15-18°C）或清凉剂薄荷醇来调控治疗蛋白的表达。该开关集成了冷却敏感受体 TRPM8 和合成启动子外壳元件，这些元件可与活化 T 细胞 （NFAT） 的核因子结合（图 3F）。在关键实验中，在关键实验中，微胶囊化的工程细胞植入小鼠后，通过对冷却信号的响应表达治疗性蛋白质（胰岛素和一种改良的活化素 IIB 型），缓解了 T1DM 模型中的高血糖，并逆转了肌肉萎缩小鼠的肌肉萎缩。

哺乳动物系统中使用细菌热遗传回路的潜在好处

除了哺乳动物热遗传工具之外，热生物开关也在微生物系统中得到了发展。Piraner 和团队设计了温度敏感抑制子和热休克启动子，以在 32-46°C 的生物医学相关温度阈值内调节细菌基因表达。通过展示它们在与哺乳动物微生物疗法相关的三种体内情境中的有效性，强调了它们的潜力。最近，Chee 及其同事通过将 TlpA 蛋白的温度敏感域与分裂 T7 RNA 聚合酶 （T7RNAP） 集成，设计了一种可逆且可调节的热抑制系统，称为 ThermalT7RNAP，可以在 30°C 至 42°C 之间直接热调节 T7RNAP 活性。这些细菌热遗传系统为开发具有许多潜在应用的创新哺乳动物热传感工具提供了基础框架和策略。

总之，热遗传学利用温度敏感蛋白来控制细胞功能，是合成生物学中的一种变革性工具。这种非侵入性、高分辨率的生物活性调节方法将促进专门针对动态环境变化的系统的开发，从而推动生物技术、医学和生物工程的发展。

原文链接：

https://www.cell.com/trends/biotechnology/fulltext/S0167-7799(24)00208-7

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