解鎖茶的新功能：“喝茶”就能控制血糖穩(wěn)態(tài)，你可以想象嗎？10月24日，國際著名學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)·轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)》（Science Translational Medicine，影響因子：17.2）以封面文章形式在線發(fā)表了華東師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、上海市調(diào)控生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、華東師范大學(xué)醫(yī)學(xué)合成生物學(xué)研究中心葉海峰研究員團(tuán)隊(duì)題為：“A green tea-triggered genetic control system for treating diabetes in mice and monkeys”的最新研究成果。
期刊封面
當(dāng)人體植入某種定制化細(xì)胞后，人們只需通過飲用特制的濃縮綠茶，便可使其在體內(nèi)產(chǎn)生代謝物原兒茶酸進(jìn)而控制細(xì)胞中目的基因的表達(dá)。而這種目的基因可按照需求調(diào)整改變，可以變?yōu)樘岣呷梭w免疫力的抗體，也變?yōu)榍宄w內(nèi)有害分子的酶，還可以變?yōu)榻档脱堑囊葝u素。
這種以“喝茶”的便捷方式作為控制手段在時(shí)空上干預(yù)或調(diào)控治療藥物的可控表達(dá)釋放，為目前人工定制化細(xì)胞療法轉(zhuǎn)化為臨床應(yīng)用提供了一種全新的理念和策略。葉海峰研究員為該研究論文的唯一通訊作者，第一作者為華東師范大學(xué)2015級(jí)博士研究生尹劍麗。
“該研究讓人們對(duì)綠茶有了顛覆性的認(rèn)識(shí)，我們解鎖了茶的新功能，這就是合成生物學(xué)的魅力，”葉海峰表示，“它可以創(chuàng)造生命，可以賦予細(xì)胞和生命體新的功能。我們期待合成生物學(xué)可以幫助我們更多地去開發(fā)生命體新功能或生物多重可能性，拓寬生物的新時(shí)代。”
第一作者博士研究生尹劍麗（左）和通訊作者葉海峰研究員（右）
老朋友有了新技能，綠茶變身細(xì)胞“操控手”
中國人喝茶最早起源于神農(nóng)時(shí)期距今已有4600多年的歷史。茶作為日常最受歡迎的飲品之一，富含多種有益成分，包括茶多酚，茶色素，茶多糖，Υ-氨基丁酸等。其中，茶多酚作為茶葉中含量最高的一種可溶性成分，具有消除氧自由基、抗炎、降低心血管疾病發(fā)病率、降血脂、抗菌等多種功效。雖然茶有如此多的功效，但想讓其直接作為藥物去治療疾病還不太現(xiàn)實(shí)，限于將茶作為保健品，幫助人體機(jī)體預(yù)防疾病。令人興奮的是，這一局限已經(jīng)被徹底打破。如今，茶有了一個(gè)全新的角色---細(xì)胞“操縱手”，既能編輯細(xì)胞的基因組，還能控制細(xì)胞的各種行為，從此讓細(xì)胞乖乖“聽話”，在特定的時(shí)空下產(chǎn)生并釋放各種你想要的治療藥物。
葉海峰課題組一直致力于尋找一種有益于健康的天然小分子，來調(diào)控細(xì)胞的行為和功能。利用合成生物學(xué)思想，課題組通過歷時(shí)六年的努力，終于解鎖了茶的新功能，巧妙地利用綠茶的次級(jí)代謝產(chǎn)物原兒茶酸（PCA），設(shè)計(jì)合成了原兒茶酸調(diào)控的轉(zhuǎn)基因表達(dá)控制系統(tǒng)，并將其安裝在細(xì)胞中，應(yīng)用于可控的表觀遺傳重塑、基因編輯、生物計(jì)算機(jī)以及精準(zhǔn)藥物遞送治療糖尿病。
糖尿病患者福音？喝“定制”濃茶精準(zhǔn)遞送胰島素
糖尿病嚴(yán)重影響著患者的健康和生活，糖尿病患者往往需要承受每天注射胰島素的痛苦。為了代替胰島素注射的糖尿病治療方法，該課題組人員選擇了胰島素作為目的基因進(jìn)行測試，設(shè)計(jì)合成了能夠精確調(diào)控降血糖肽表達(dá)釋放的定制化細(xì)胞，以達(dá)到治療糖尿病的目的。
研究表明，糖尿病小鼠只需口服定制的濃縮綠茶或者原兒茶酸，便可定時(shí)定量地持續(xù)性獲取胰島素，控制體內(nèi)血糖穩(wěn)定，無需每天定時(shí)服用或者注射胰島素。另外，這項(xiàng)工作也已在靈長類動(dòng)物猴子上得到了驗(yàn)證，糖尿病猴子只需飲用原兒茶酸就可達(dá)到控制血糖的效果。該研究大大減輕了糖尿病患者的痛苦，為患者提供了新的治療思路和福音。
葉海峰課題組在實(shí)驗(yàn)室
讓人更不可思議的是，該課題組還結(jié)合了最新的基因編輯技術(shù)，使綠茶作為基因編輯的調(diào)控開關(guān)，去操控基因的表達(dá)、編輯。同時(shí)，課題組人員證實(shí)了該控制系統(tǒng)可以進(jìn)行復(fù)雜的邏輯運(yùn)算，期望在未來可以運(yùn)用在生物計(jì)算機(jī)中。
亮點(diǎn)：綠茶調(diào)控的定制化細(xì)胞治療方式
美國生物學(xué)家喬治戴利曾評(píng)論：“相比于藥物治療為代表的20世紀(jì)，21世紀(jì)則是細(xì)胞治療的時(shí)代”。隨著一些獨(dú)特細(xì)胞治療產(chǎn)品的開發(fā)，細(xì)胞治療被視為下一代醫(yī)藥。在細(xì)胞治療的最近研究進(jìn)展中，細(xì)胞上設(shè)計(jì)安裝特殊用途的控制裝置已成為細(xì)胞治療的研究重點(diǎn)，這些裝置可以被量身定做，促使細(xì)胞更加智能化地完成如基因編輯、精準(zhǔn)治療等各種任務(wù)。這類安裝了控制裝置的細(xì)胞被形象地稱為“人工定制化細(xì)胞”，該類人工定制化細(xì)胞療法也被認(rèn)為是下一代細(xì)胞療法的支柱。然而，缺乏安全高效的控制裝置是目前人工定制化細(xì)胞療法轉(zhuǎn)化為臨床應(yīng)用中的一大障礙。
為了實(shí)現(xiàn)“綠茶調(diào)控”的理念，研究人員利用喝綠茶代謝物原兒茶酸（PCA）作為分子開關(guān)。將來自于一種鏈霉菌（Streptomyces coelicolor）中響應(yīng)原兒茶酸的轉(zhuǎn)錄阻遏蛋白PcaV、PcaV響應(yīng)的操縱子DNA序列OPcaV和轉(zhuǎn)錄抑制子KRAB等生物分子元器件進(jìn)行理性設(shè)計(jì)、組裝和重編程，構(gòu)建了原兒茶酸調(diào)控的基因表達(dá)控制開關(guān)（PCASwitch,見圖1）。原兒茶酸可以精確誘導(dǎo)轉(zhuǎn)基因的表達(dá)，且控制系統(tǒng)在調(diào)控轉(zhuǎn)基因表達(dá)上展現(xiàn)出良好的時(shí)間、劑量依賴性以及可逆性。并且，無論是注射、口服原兒茶酸以及飲用定制的濃縮綠茶方式均可以調(diào)控移植在小鼠體內(nèi)的控制系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)基因表達(dá)。
圖1：原兒茶酸控制開關(guān)（PCA Switch）設(shè)計(jì)原理示意圖
鑒于該原兒茶酸調(diào)控系統(tǒng)的高度可控性，研究人員將該系統(tǒng)應(yīng)用于以下三個(gè)方面應(yīng)用研究：
（1）構(gòu)建原兒茶酸調(diào)控的表觀遺傳重塑和基因編輯裝置。該裝置是通過PCA控制PolIII啟動(dòng)子的活性來調(diào)控gRNA表達(dá)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)dCas9/Cas9活性的控制。研究人員分別開發(fā)了通過PCA調(diào)控內(nèi)源基因抑制（PcaRi）、激活（PcaRa）和編輯（PcaRdel）三種控制裝置，分別用于表觀遺傳重塑和基因編輯。
?。?）設(shè)計(jì)構(gòu)建食物酚酸（原兒茶酸和香草酸）調(diào)控的生物計(jì)算機(jī)（見圖2）。該生物計(jì)算機(jī)安裝在細(xì)胞內(nèi)并移植到動(dòng)物體內(nèi)，可以根據(jù)原兒茶酸和香草酸存在與否的指令執(zhí)行準(zhǔn)確的邏輯運(yùn)算（包括A NIMPLY B，B NIMPLY A，AND，OR和NOR 5種邏輯運(yùn)算）。該項(xiàng)研究是合成生物學(xué)領(lǐng)域中，首次在動(dòng)物體內(nèi)實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算，為以后復(fù)雜精確藥物輸出和精準(zhǔn)疾病治療奠定了基礎(chǔ)。
圖2：在小鼠中，原兒茶酸（PCA）和香草酸（VA）調(diào)控的邏輯“與”門
?。?）構(gòu)建原兒茶酸調(diào)控的藥物精準(zhǔn)釋放遞送系統(tǒng)用于糖尿病治療（圖3）。為了實(shí)現(xiàn)原兒茶酸或“喝茶”調(diào)控基因表達(dá)和藥物釋放治療疾病的目的，研究人員構(gòu)建了PCA調(diào)控胰島素(用于1型糖尿病治療)或者GLP-1(胰高血糖素樣肽-1，用于2型糖尿病治療)表達(dá)的基因線路，并將基因線路穩(wěn)定上載到人底盤細(xì)胞HEK-293中，從而獲得PCA調(diào)控降血糖藥物表達(dá)釋放的人工定制化細(xì)胞。這些可控的細(xì)胞進(jìn)一步被微膠囊包裹分別移植到1型或者2型糖尿病模型鼠體內(nèi)，最終可以實(shí)現(xiàn)通過口服PCA或者口服定制的濃縮綠茶調(diào)控降血糖藥物的表達(dá)釋放來維持糖尿病小鼠體內(nèi)的血糖穩(wěn)態(tài)。
圖3：PCA控制開關(guān)調(diào)控胰島素或GLP-1表達(dá)治療1型和2型糖尿病鼠
為了測試該可控定制細(xì)胞系統(tǒng)放大后在大動(dòng)物體內(nèi)的治療效果及可行性，研究人員將原兒茶酸調(diào)控的定制化細(xì)胞通過微膠囊包裹后腹腔移植到1型和2型糖尿病猴體內(nèi)。當(dāng)糖尿病猴口服PCA后，可以激活調(diào)控體內(nèi)移植的細(xì)胞表達(dá)釋放胰島素或GLP-1，從而起到降血糖作用（圖4）。該部分研究是合成生物學(xué)研究領(lǐng)域中，基于人工基因線路的定制細(xì)胞首次在大動(dòng)物猴子體內(nèi)進(jìn)行的嘗試。為可控人工定制化細(xì)胞在今后臨床應(yīng)用又推進(jìn)了一步并奠定了基礎(chǔ)。
圖4：PCA控制開關(guān)調(diào)控胰島素或GLP-1表達(dá)治療1型和2型糖尿病猴
值得注意的是，該工作的創(chuàng)新點(diǎn)包括調(diào)控式基因編輯裝置的構(gòu)建、藥物的精確輸送以及綠茶調(diào)控的定制化細(xì)胞治療方式，不僅可以進(jìn)一步促進(jìn)細(xì)胞治療的精準(zhǔn)化，也為基礎(chǔ)研究工作在面對(duì)復(fù)雜的特定環(huán)境下提供有用的研究工具。
然而，葉海峰研究員稱，綠茶調(diào)控的基因表達(dá)控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用還有待解決一些問題，例如目前是利用轉(zhuǎn)座子系統(tǒng)（Sleeping Beauty）將該系統(tǒng)整合至基因組中，但該過程中發(fā)生一些錯(cuò)誤的整合是無法預(yù)測和避免的。以后，課題組可能會(huì)采用CRISPR系統(tǒng)將控制裝置更精確地整合至特定基因組上。其次，文章中所采用的人源細(xì)胞HEK-293雖然易于操作且非常適用于該系統(tǒng)，但對(duì)于臨床轉(zhuǎn)化來說，將系統(tǒng)整合至病人的原代細(xì)胞中才會(huì)更加安全，因此，研究該系統(tǒng)在病人自體細(xì)胞（如間充質(zhì)干細(xì)胞）的調(diào)控效果在后續(xù)的轉(zhuǎn)化工作中非常重要。最后，細(xì)胞植入體內(nèi)采取的微膠囊包裹技術(shù)在延長細(xì)胞生命周期上也有待改善，以實(shí)現(xiàn)更長期的治療效果。
該研究受到了國家自然科學(xué)基金、上海市科委基礎(chǔ)處合成生物學(xué)重大、重點(diǎn)專項(xiàng)的資助。該研究涉及的1型糖尿病猴子部分工作是由深圳市第二人民醫(yī)院馴化器官醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究開發(fā)中心牟麗莎教授協(xié)助完成。
