基因电路上演抗癌“心机戏”，破解伪装，制服狡猾善变癌细胞

生物学家通过精巧的基因电路设计和火力全开的免疫因子，避开健康细胞成功识别并杀灭了实验小鼠体内的癌细胞，将癌细胞的伪装、应激、抵抗一一化解。《细胞》杂志近期刊登的这个研究有哪些独到之处？

基因电路？活体里的电子学科吗？难不成是研究人类机器人？

且慢，别急着思考伦理问题，这种提法其实是生物学家强大的想象，指的是利用合成生物学的精巧设计，控制细胞里的通路，让人们能“开关”细胞的行动。

近日，《细胞》杂志刊登美国麻省理工学院卢冠达团队的研究成果，他们设计了基于合成RNA的免疫调节基因电路、可用于癌症的免疫治疗。

这款“精妙”的基因电路如何工作？它又如何制服狡猾、善变的癌细胞呢？科技日报记者日前专访了两位专家，分别解答该研究中两个科学领域的问题。

造个“特洛伊木马”，帮“信号兵”潜进癌细胞的城池

弄清科学家的精妙设计，还要从它的攻击对象——癌细胞说起。

众所周知，癌细胞无限繁殖，这个特点只有它“扎堆”的时候才能显现出来。机体要杀灭单个细胞，如何区分癌细胞和正常细胞呢？

“癌细胞内部是特异性表达，”四川大学生物治疗国家重点实验室罗云孜说，“癌基因、原癌基因等会在癌细胞中被激活，使正常细胞发生癌变。这个研究中用的是cMYC、E2F1（基因名）两个转录因子基因。”

也就是说这两个基因在癌细胞中异常活跃，而正常细胞中它们相对平静。卢冠达团队将它们看成癌细胞自带的“钥匙”，根据钥匙设计了一套“锁”。锁的特点是，只有两个钥匙同时开锁，才会被打开。

罗云孜解释，第一把钥匙打开的反应不会进行到底，“第一个启动子启动转录，生成的mRNA（信使RNA）会在尾部有个特别的结构，能和细胞内的微小RNA结合（miR1），不会继续进行蛋白翻译的步骤。只有当第二个启动子启动的转录生成了另一段序列，走过来把miR1带走，蛋白翻译才会继续进行”。

这种两把钥匙合作开一把锁的模式，在集成电路中被称为“与门”结构。卢冠达表示，是受“与门”的启发，想到设计这个结构的。

把合成的基因电路“安插”进癌细胞中，团队利用了慢病毒载体。“病毒侵染，可以让病毒的每一代都有特异表达”，上海比昂生物创始人杨光华说，总的来说，这套装置就像特洛伊木马，将信号兵带进癌细胞的城池，而只有两把钥匙共同打开木马上的锁，信号兵才会出来发信号。

“这个设计虽然使用已知基因元件，但并不简单，需要进行严格的筛选。导入基因必须和正常细胞内的系统没有关联性，确保只启动癌细胞中的‘电路’，不会对正常细胞产生影响。”罗云孜说，研究团队经过了大量的优化实验，才完成基因序列的最终合成。

基因电路最难做到的是“准确”。卢冠达团队合成的精巧的控制器，为“攻击手”辨认癌细胞设置了一个“双保险”的开关。罗云孜说：“它起的是精确制导的靶子的作用，这项研究大大降低对正常细胞的误伤率。”

在癌细胞里安插了准确的“信号兵”，下一步就可以进行“攻城拔寨”的战斗了。也就是接入功能基因，开启对癌细胞的“征讨”。

烟雾弹、信号弹、照明弹、远程长短炮……火力齐发

一旦信号兵放倒“消息树”，身体内的免疫系统将会被调动起来。接下来的实战，是一场堪比《权利与游戏》的抗癌“心机戏”——

一头，研究用基因电路的方法设计了能准确放倒“消息树”的“信号兵”，另一头，合成了完备的全功能攻击战斗团。

为啥这个战斗团前要加上这么多修饰词呢？因为目前很少有研究将多个不同角色的肿瘤对抗基因联合起来编队。

战斗团编队有4个，分别是表面T细胞结合子（STE），一种细胞表面抗原，是癌细胞的特异性识别位点；趋化因子21（CCL21），可以促进T细胞在癌细胞位点聚集；白介素12（IL12），一种可以增强T细胞活性和功能的细胞因子；PD-1抑制，能够降低癌细胞对免疫系统的抑制。

“STE，它帮助能杀伤癌细胞的T细胞锁定目标，有照明弹的功能，”杨光华一一解释，“CCL21，像信号弹，所有的T细胞火力将循着身体里的这个信号向癌细胞集结；IL12是真正的炮弹，使得T细胞的火力和功能大大增强，具有高活力的杀伤性。”

其中最斗智的是“PD-1抑制”的设计，它专门针对癌细胞这个“戏精”。“癌细胞会‘扮演’成正常细胞。”杨光华说，“其表面出现PD-L1与T细胞表面的PD-1结合，会骗过T细胞，而PD-1抑制的‘元件’像‘烟雾弹’阻挡假象对T细胞的干扰。”

“癌细胞有应激反应，会越战越精，所以4种不同方法并用，应对狡猾的癌细胞。”罗云孜说，希望能达到肿瘤完全消退的目的。

但是，在实际的临床治疗中，还需要更深入的开发。杨光华认为，研究用的材料是理想状态的肿瘤细胞系，而实际的肿瘤细胞基因非常复杂，并不一定能强劲开启对肿瘤细胞全方位的识别。“研究提出了一个治疗新理念——免疫基因电路平台的概念，能够特异性表达这些免疫基因，达到筛选的目的。”

拼装、运行、验证，基因就像一个个小的“电子元器件”

今年3月，《科学》杂志刊出专刊，总结刊登了7篇合成生物学方面的重大突破，其中有4篇成果是中国学者作为通讯作者发表的。罗云孜说：“他们的工作主要是人工合成了酵母的基因组。”

“这在合成生物学领域是重大事件”，罗云孜说，这证明从2008年美国科学家合成支原体基因组以来，人类对基因组的合成已经上升到了真菌界，人类可以创造出真核生物。

“基因组的合成包含对基因功能的验证、组合和优化设计。”罗云孜说，其间，基因像一个个小的“电子元器件”，拼装、运行、验证，用于完成人们的生产生活目标。

在微生物制造方面，进行了基因电路改造的酵母已经可以用于人参有效物质的合成，例如皂苷等。罗云孜说：“合成植物来源化合物，需要多个基因组合表达，进行改变优化的东西很多。如何有效表达，如何调配不同基因的表达量，都要精确的程序设置。”

“我们需要回答的问题是，不同的基因元件，如何搭起来更有效、更精准。”作为合成生物学家，罗云孜解释，对于已知功能的基因，将其模块化、基本化，用于进一步的装配研究，“然而人类对基因的功能并不是完全清楚。相较于电子元器件来说，装配基因会更不稳定，需要设计复杂的实验予以证实”。

在医学研究方面，我国已经利用合成生物学建立起相关疾病的筛查和验证平台。此外为了增加基因疗法的安全性，杨光华团队还在进行药物控制免疫系统对癌细胞攻击的研究。

杨光华介绍，团队此前构建了可诱导的慢病毒载体，可实现通过给药、停药开关基因表达，通过药物剂量来控制CAR-T疗效的强弱，从而调控体内免疫系统与癌细胞的“战争级别”。

（原标题：基因电路 上演一场抗癌“心机戏”）