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，國際著名學術期刊《科學·轉化醫(yī)學》（Science Translational Medicine，影響因子：17.2）以封面文章形式在線發(fā)表了華東師范大學生命科學學院、上海市調(diào)控生物學重點實驗室、華東師范大學醫(yī)學合成生物學研究中心葉海峰研究員團隊題為：“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
當人體植入某種定制化細胞后，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而控制細胞中目的基因的表達。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空上干預或調(diào)控治療藥物的可控表達釋放，為目前人工定制化細胞療法轉化為臨床應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2015級博士研究生尹劍麗。
“該研究讓人們對綠茶有了顛覆性的認識，我們解鎖了茶的新功能，這就是合成生物學的魅力，”葉海峰表示，“它可以創(chuàng)造生命，可以賦予細胞和生命體新的功能。我們期待合成生物學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，拓寬生物的新時代?！?/span>
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，綠茶變身細胞“操控手”
中國人喝茶最早起源于神農(nóng)時期距今已有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，限于將茶作為保健品，幫助人體機體預防疾病。令人興奮的是，這一局限已經(jīng)被徹底打破。如今，茶有了一個全新的角色---細胞“操縱手”，既能編輯細胞的基因組，還能控制細胞的各種行為，從此讓細胞乖乖“聽話”，在特定的時空下產(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)控細胞的行為和功能。利用合成生物學思想，課題組通過歷時六年的努力，終于解鎖了茶的新功能，巧妙地利用綠茶的次級代謝產(chǎn)物原兒茶酸（PCA），設計合成了原兒茶酸調(diào)控的轉基因表達控制系統(tǒng)，并將其安裝在細胞中，應用于可控的表觀遺傳重塑、基因編輯、生物計算機以及精準藥物遞送治療糖尿病。
糖尿病患者福音？喝“定制”濃茶精準遞送胰島素
糖尿病嚴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行測試，設計合成了能夠精確調(diào)控降血糖肽表達釋放的定制化細胞，以達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，無需每天定時服用或者注射胰島素。另外，這項工作也已在靈長類動物猴子上得到了驗證，糖尿病猴子只需飲用原兒茶酸就可達到控制血糖的效果。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。
葉海峰課題組在實驗室
讓人更不可思議的是，該課題組還結合了最新的基因編輯技術，使綠茶作為基因編輯的調(diào)控開關，去操控基因的表達、編輯。同時，課題組人員證實了該控制系統(tǒng)可以進行復雜的邏輯運算，期望在未來可以運用在生物計算機中。
亮點：綠茶調(diào)控的定制化細胞治療方式
美國生物學家喬治戴利曾評論：“相比于藥物治療為代表的20世紀，21世紀則是細胞治療的時代”。隨著一些獨特細胞治療產(chǎn)品的開發(fā)，細胞治療被視為下一代醫(yī)藥。在細胞治療的最近研究進展中，細胞上設計安裝特殊用途的控制裝置已成為細胞治療的研究重點，這些裝置可以被量身定做，促使細胞更加智能化地完成如基因編輯、精準治療等各種任務。這類安裝了控制裝置的細胞被形象地稱為“人工定制化細胞”，該類人工定制化細胞療法也被認為是下一代細胞療法的支柱。然而，缺乏安全高效的控制裝置是目前人工定制化細胞療法轉化為臨床應用中的一大障礙。
為了實現(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。將來自于一種鏈霉菌（Streptomyces coelicolor）中響應原兒茶酸的轉錄阻遏蛋白PcaV、PcaV響應的操縱子DNA序列OPcaV和轉錄抑制子KRAB等生物分子元器件進行理性設計、組裝和重編程，構建了原兒茶酸調(diào)控的基因表達控制開關（PCASwitch,見圖1）。原兒茶酸可以精確誘導轉基因的表達，且控制系統(tǒng)在調(diào)控轉基因表達上展現(xiàn)出良好的時間、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)進行轉基因表達。
圖1：原兒茶酸控制開關（PCA Switch）設計原理示意圖
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)應用于以下三個方面應用研究：
（1）構建原兒茶酸調(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啟動子的活性來調(diào)控gRNA表達，從而實現(xiàn)對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。
（2）設計構建食物酚酸（原兒茶酸和香草酸）調(diào)控的生物計算機（見圖2）。該生物計算機安裝在細胞內(nèi)并移植到動物體內(nèi)，可以根據(jù)原兒茶酸和香草酸存在與否的指令執(zhí)行準確的邏輯運算（包括A NIMPLY B，B NIMPLY A，AND，OR和NOR 5種邏輯運算）。該項研究是合成生物學領域中，首次在動物體內(nèi)實現(xiàn)邏輯運算，為以后復雜精確藥物輸出和精準疾病治療奠定了基礎。
圖2：在小鼠中，原兒茶酸（PCA）和香草酸（VA）調(diào)控的邏輯“與”門
（3）構建原兒茶酸調(diào)控的藥物精準釋放遞送系統(tǒng)用于糖尿病治療（圖3）。為了實現(xiàn)原兒茶酸或“喝茶”調(diào)控基因表達和藥物釋放治療疾病的目的，研究人員構建了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)表達的基因線路，并將基因線路穩(wěn)定上載到人底盤細胞HEK-293中，從而獲得PCA調(diào)控降血糖藥物表達釋放的人工定制化細胞。這些可控的細胞進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控制開關調(diào)控胰島素或GLP-1表達治療1型和2型糖尿病鼠
為了測試該可控定制細胞系統(tǒng)放大后在大動物體內(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)。當糖尿病猴口服PCA后，可以激活調(diào)控體內(nèi)移植的細胞表達釋放胰島素或GLP-1，從而起到降血糖作用（圖4）。該部分研究是合成生物學研究領域中，基于人工基因線路的定制細胞首次在大動物猴子體內(nèi)進行的嘗試。為可控人工定制化細胞在今后臨床應用又推進了一步并奠定了基礎。
圖4：PCA控制開關調(diào)控胰島素或GLP-1表達治療1型和2型糖尿病猴
值得注意的是，該工作的創(chuàng)新點包括調(diào)控式基因編輯裝置的構建、藥物的精確輸送以及綠茶調(diào)控的定制化細胞治療方式，不僅可以進一步促進細胞治療的精準化，也為基礎研究工作在面對復雜的特定環(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)控的基因表達控制系統(tǒng)轉化為實際應用還有待解決一些問題，例如目前是利用轉座子系統(tǒng)（Sleeping Beauty）將該系統(tǒng)整合至基因組中，但該過程中發(fā)生一些錯誤的整合是無法預測和避免的。以后，課題組可能會采用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胞HEK-293雖然易于操作且非常適用于該系統(tǒng)，但對于臨床轉化來說，將系統(tǒng)整合至病人的原代細胞中才會更加安全，因此，研究該系統(tǒng)在病人自體細胞（如間充質(zhì)干細胞）的調(diào)控效果在后續(xù)的轉化工作中非常重要。最后，細胞植入體內(nèi)采取的微膠囊包裹技術在延長細胞生命周期上也有待改善，以實現(xiàn)更長期的治療效果。
該研究受到了國家自然科學基金、上海市科委基礎處合成生物學重大、重點專項的資助。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)學工程技術研究開發(fā)中心牟麗莎教授協(xié)助完成。
