近日，北京大學(xué)藥學(xué)院研究員劉濤課題組與華東師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院研究員葉海峰課題組合作研發(fā)一種快速調(diào)控胰島素表達(dá)的基因開關(guān)，為合成生物學(xué)和細(xì)胞治療研究提供新的工具。相關(guān)研究成果于11月15日在線發(fā)表于《自然—化學(xué)生物學(xué)》。

全球有超過4.6億糖尿病患者，注射胰島素是許多患者每天不得不面對的生理或心理障礙。細(xì)胞治療被認(rèn)為是有望替代胰島素注射的糖尿病治療方式，通過裝配胰島素表達(dá)調(diào)控基因改造細(xì)胞，可以賦予細(xì)胞分泌胰島素的能力。近年來，科學(xué)家利用合成生物學(xué)原理設(shè)計了一系列用于調(diào)控胰島素表達(dá)的基因開關(guān)，可以通過口服化學(xué)小分子激活工程細(xì)胞表達(dá)胰島素。然而，這些開關(guān)是基于轉(zhuǎn)錄因子介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控而設(shè)計的，激活過程復(fù)雜，起效時間慢，難以滿足血糖精準(zhǔn)控制的要求。

劉濤課題組與葉海峰課題組合作，將視線放在了蛋白質(zhì)翻譯過程，利用基因密碼子擴展技術(shù)直接在蛋白質(zhì)翻譯水平設(shè)計開關(guān)，可以跨越轉(zhuǎn)錄過程，快速產(chǎn)生胰島素。基因密碼子擴展技術(shù)是利用氨酰tRNA合成酶和tRNA將非天然氨基酸(ncAA)定點插入蛋白質(zhì)的技術(shù)。研究人員在胰島素基因上引入琥珀密碼子，并將氨酰tRNA合成酶和tRNA一同整合到哺乳動物細(xì)胞基因組中，構(gòu)建了細(xì)胞治療系統(tǒng)，命名為NATS系統(tǒng)。在ncAA刺激下，氨酰tRNA合成酶催化形成ncAA-tRNA，然后ncAA-tRNA識別琥珀密碼子啟動胰島素的翻譯。

研究人員比較了NATS系統(tǒng)和經(jīng)典的轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控開關(guān)的調(diào)控速度。結(jié)果證明，NATS系統(tǒng)接觸ncAA刺激1分鐘就足以激活蛋白翻譯，在加入ncAA刺激2小時后就可以檢測到目的蛋白表達(dá)。為了研究NATS系統(tǒng)在動物體內(nèi)的降血糖效果，研究人員將NATS系統(tǒng)移植到糖尿病小鼠體內(nèi)，小鼠口服ncAA后90分鐘就可以明顯降低血糖。這樣快速的胰島素表達(dá)效果，是轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控開關(guān)無法達(dá)到的。

糖尿病是需要終身服藥的慢性疾病，因此藥物的安全性和患者的依從性是影響糖尿病治療的重要因素。許多ncAA本身就是細(xì)胞的代謝物質(zhì)，有些還被添加到食物或飲料中。研究人員將ncAA與小鼠飼料混合制作了“ncAA餅干”，喂食糖尿病小鼠，可以實現(xiàn)長達(dá)1個月的胰島素表達(dá)和血糖控制，提高了給藥的方便性。同時，研究人員還做了ncAA的長期毒性實驗，結(jié)果并未觀察到長期服用ncAA的小鼠有生理指標(biāo)異常。

此外，研究人員還將NATS系統(tǒng)構(gòu)建到多種哺乳動物細(xì)胞上，如干細(xì)胞等，調(diào)控不同目的蛋白的表達(dá)。還證明NATS系統(tǒng)可以與經(jīng)典的轉(zhuǎn)錄調(diào)控系統(tǒng)兼容，利用不同化學(xué)小分子可以在翻譯水平和轉(zhuǎn)錄水平同時調(diào)控目的蛋白表達(dá)。該研究表明，基于翻譯水平調(diào)控的NATS系統(tǒng)擁有快速調(diào)控藥物蛋白表達(dá)的優(yōu)勢，為細(xì)胞治療領(lǐng)域提供了新的調(diào)控工具。

該研究獲得北京市杰出青年基金、國家自然科學(xué)優(yōu)秀青年基金、國家“重大新藥創(chuàng)制”專項、科技部合成生物學(xué)重點專項、上海市科委合成生物學(xué)重大項目、深圳合成生物學(xué)創(chuàng)新研究院對外開放基金等項目的支持。(秦志偉)

關(guān)鍵詞： 胰島素調(diào)控開關(guān) 胰島素 合成生物學(xué) 細(xì)胞治療 糖尿病