背景
01
小分子响应
发表在Nature Communications上的两篇文章通过不同的手段实现了小分子的灵敏响应。
化学诱导二聚化（Chemical Induced Dimerization，CID）是指利用化学小分子诱导两种生物大分子发生临近互作而调控细胞进程，目前已成为调控细胞活性的重要手段，从细胞信号转导，到基因表达调控等等均可用CID实现。丙型肝炎病毒蛋白酶（HCV PR） 可以与小分子司美匹韦形成复合物，研究人员通过噬菌体展示筛选得到只与HCV PR-司美匹韦复合物发生二聚的结合蛋白（PRSIM ），通过将转录激活结构域（AD）结合在HCV PR，DNA结合结构域结合在PRSIM上，实现对基因表达的调控，研究人员在细胞水平对IL-2的表达调控进行了测试，并在动物层面构建了Caspase9的凋亡开关，将表达该凋亡开关的细胞植入小鼠体内，形成肿瘤。在司美匹韦治疗后，所有小鼠的肿瘤完全消退。
图1 司美匹韦响应系统
小鼠嗅觉受体MOR215-1 可以特异性感应麝香酮，与G蛋白偶联受体被激活后可以激活胞内的cAMP信号，CREB1与cAMP结合后自身发生磷酸化，从而能够结合在PCRE启动子上，启动基因的表达。研究人员使用AAV载体在小鼠非酒精性脂肪性肝炎（NAFLD）和过敏性哮喘（allergicasthma） 模型中，在肝脏及肺验证了通过吸入麝香酮气体分子，可以远程诱导蛋白表达。
图2 麝香酮响应系统
原文链接：1）https://www.nature.com/articles/s41467-023-43484-9
2）https://www.nature.com/articles/s41467-024-45383-z
02
超声
超声作为调控手段，具有良好的组织穿透性，并且可以用于实时成像，通过声波聚焦产生的热效应还可应用于基因的表达调控。
发表在Cell Reports Medicine的这篇文章通过使用声学报告基因（ARG1）质粒和温控基因线路（IFN-γ）联合，开发了一种超声可视化工程细菌（Ec@DIG-GVs），可在超声成像引导下精准调控肿瘤内工程化细菌的基因表达。研究人员首先将ARG1、 IFN-γ 导入至大肠杆菌，获得了Ec@IG，接着在体外诱导ARG1 基因表达气体囊泡 （GVs），获得含生物纳泡的细菌Ec@IG-GVs。最后，利用化学修饰将阿霉素连接至Ec@IG-GVs表面获得Ec@DIG-GVs。GVs可以为聚焦超声（hHIFU）提供实时成像引导，当超声焦点定位于肿瘤内的工程化细菌时，会诱导细菌在肿瘤局部表达和分泌IFN-γ。IFN-γ的产生不仅可以杀死肿瘤细胞，还可以诱导巨噬细胞从M2表型向M1表型极化，促进DC细胞成熟。细菌表面的DOX可在肿瘤酸性微环境中释放，导致肿瘤细胞死亡。IFN-γ和DOX的共同作用激活肿瘤特异性T细胞反应，产生协同效应，大大增强了抗肿瘤的效果。
图3 超声实现工程化细菌的实时成像与肿瘤杀伤
第二个工作中同样发表于Cell Reports Medicine，研究人员设计构建了一种基于温敏型转录抑制因子TlpA39的超声调控的基因表达系统（SINGER），携带该系统的工程化细菌可以在超声波的刺激下，局部升温，从而精确地启动特定基因的高效表达。在肿瘤小鼠模型中，通过瘤内直接注射或血液输送，工程细菌能够精确定位到肿瘤区域，并在超声波的诱导下， 表达诱导肿瘤细胞凋亡的Azurin蛋白和免疫检查点抑制剂PD-L1 nb ，在黑色素瘤、结肠癌、淋巴瘤和肝癌等多种小鼠模型中有效抑制了肿瘤生长。
图4 SINGER系统
文献链接：3）https://doi.org/10.1016/j.xcrm.2024.101512
4）https://www.cell.com/cell-reports-medicine/fulltext/S2666-3791(24)00182-4
03
光
通过光进行调控，也被称为光遗传学，光遗传学具有非侵入性、可逆性、时空特异性、低毒副作用等优点，基本原理是通过在细胞内表达光敏蛋白，通过对光敏蛋白的激活或抑制，实现对细胞的操纵。目前，研究人员已经开发了紫外光、蓝光、绿光、红光、远红光、近红外光等不同波长的光响应工具，红光、远红光和近红外光对于生物组织的穿透力强且毒性低，在体内应用更具优势。
光敏蛋白PhyA在660nm光照下可与伴侣蛋白FHY1结合，在730nm光照下解聚，通过与声控中第一篇文章类似设计，PhyA与DNA结合蛋白融合，FHY1与转录激活蛋白融合，从而实现红光照射下，激活表达，远红光照射下，表达终止。后续，研究人员成功使用该系统触发胰岛素表达来控制1型糖尿病小鼠和大鼠的葡萄糖稳态。该工作发表于Nature Biotechnology。
图5 红光/远红光调控系统
在Nature Communications这篇工作中，研究人员观察到光敏蛋白的伴侣蛋白FHL具有转录激活活性，而且其转录激活的结构域位于C末端，其与PhyA异源二聚的结构域也在C末端。基于此，研究人员开发出了二聚结合后，基因沉默的光控系统PTRC，并与CRISPR体系、蓝光调控系统结合，开发出新型调控工具，展现了合成生物学的巨大潜力。
图6 PRTC系统
文献链接：5）https://www.nature.com/articles/s41587-021-01036-w
6）https://www.nature.com/articles/s41467-024-49254-5
总结
智能响应基因回路，以及更广泛的合成生物学可以通过工程化的设计思路，通过创新性发掘具有特定效应的生物元件，进行逻辑化设计、改造，使细胞能特定响应外界刺激，做出相应输出。随着AI大数据的发展，对响应元件进行二次优化改造，有望在未来实现更加精确和高效的基因调控，拓展其在更广泛的生物系统和应用场景中的潜力。
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