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细胞“操纵手”登上Science子刊封面!信誉搏彩叶海峰课题组特制绿茶调控血糖


发布时间:2019-10-24

  解锁茶的新功能:“喝茶”就能控制血糖稳态,你可以想象吗?10月24日,国际著名学术期刊《科学·转化医学》(Science Translational Medicine,影响因子:17.2)以封面文章形式在线发表了十大信誉搏彩排行生命科学学院、上海市调控生物学重点实验室、十大信誉搏彩排行医学合成生物学研究中心叶海峰研究员团队题为:“A green tea-triggered genetic control system for treating diabetes in mice and monkeys”的最新研究成果。当人体植入某种定制化细胞后,人们只需通过饮用特制的浓缩绿茶,便可使其在体内产生代谢物原儿茶酸进而控制细胞中目的基因的表达。而这种目的基因可按照需求调整改变,可以变为提高人体免疫力的抗体,也变为清除体内有害分子的酶,还可以变为降低血糖的胰岛素。

信誉搏彩叶海峰课题组研究文章刊登于《科学·转化医学》期刊封面

  这种以“喝茶”的便捷方式作为控制手段在时空上干预或调控治疗药物的可控表达释放,为目前人工定制化细胞疗法转化为临床应用提供了一种全新的理念和策略。叶海峰研究员为该研究论文的唯一通讯作者,第一作者为十大信誉搏彩排行2015级博士研究生尹剑丽。

  “该研究让人们对绿茶有了颠覆性的认识,我们解锁了茶的新功能,这就是合成生物学的魅力,”叶海峰表示,“它可以创造生命,可以赋予细胞和生命体新的功能。我们期待合成生物学可以帮助我们更多地去开发生命体新功能或生物多重可能性,拓宽生物的新时代。”

第一作者博士研究生尹剑丽(左)和通讯作者叶海峰研究员(右)


视频:4分钟看懂这项研究成果

老朋友有了新技能,绿茶变身细胞“操控手”

  中国人喝茶最早起源于神农时期距今已有4600多年的历史。茶作为日常最受欢迎的饮品之一,富含多种有益成分,包括茶多酚,茶色素,茶多糖,Υ-氨基丁酸等。其中,茶多酚作为茶叶中含量最高的一种可溶性成分,具有消除氧自由基、抗炎、降低心血管疾病发病率、降血脂、抗菌等多种功效。虽然茶有如此多的功效,但想让其直接作为药物去治疗疾病还不太现实,限于将茶作为保健品,帮助人体机体预防疾病。令人兴奋的是,这一局限已经被彻底打破。如今,茶有了一个全新的角色---细胞“操纵手”,既能编辑细胞的基因组,还能控制细胞的各种行为,从此让细胞乖乖“听话”,在特定的时空下产生并释放各种你想要的治疗药物。

  叶海峰课题组一直致力于寻找一种有益于健康的天然小分子,来调控细胞的行为和功能。利用合成生物学思想,课题组通过历时六年的努力,终于解锁了茶的新功能,巧妙地利用绿茶的次级代谢产物原儿茶酸(PCA),设计合成了原儿茶酸调控的转基因表达控制系统,并将其安装在细胞中,应用于可控的表观遗传重塑、基因编辑、生物计算机以及精准药物递送治疗糖尿病。

糖尿病患者福音?喝“定制”浓茶精准递送胰岛素

  糖尿病严重影响着患者的健康和生活,糖尿病患者往往需要承受每天注射胰岛素的痛苦。为了代替胰岛素注射的糖尿病治疗方法,该课题组人员选择了胰岛素作为目的基因进行测试,设计合成了能够精确调控降血糖肽表达释放的定制化细胞,以达到治疗糖尿病的目的。

  研究表明,糖尿病小鼠只需口服定制的浓缩绿茶或者原儿茶酸,便可定时定量地持续性获取胰岛素,控制体内血糖稳定,无需每天定时服用或者注射胰岛素。另外,这项工作也已在灵长类动物猴子上得到了验证,糖尿病猴子只需饮用原儿茶酸就可达到控制血糖的效果。该研究大大减轻了糖尿病患者的痛苦,为患者提供了新的治疗思路和福音。

叶海峰课题组在实验室

  让人更不可思议的是,该课题组还结合了最新的基因编辑技术,使绿茶作为基因编辑的调控开关,去操控基因的表达、编辑。同时,课题组人员证实了该控制系统可以进行复杂的逻辑运算,期望在未来可以运用在生物计算机中。

亮点:绿茶调控的定制化细胞治疗方式

  美国生物学家乔治戴利曾评论:“相比于药物治疗为代表的20世纪,21世纪则是细胞治疗的时代”。随着一些独特细胞治疗产品的开发,细胞治疗被视为下一代医药。在细胞治疗的最近研究进展中,细胞上设计安装特殊用途的控制装置已成为细胞治疗的研究重点,这些装置可以被量身定做,促使细胞更加智能化地完成如基因编辑、精准治疗等各种任务。这类安装了控制装置的细胞被形象地称为“人工定制化细胞”,该类 人工定制化细胞疗法也被认为是下一代细胞疗法的支柱。然而,缺乏安全高效的控制装置是目前人工定制化细胞疗法转化为临床应用中的一大障碍。

  为了实现“绿茶调控”的理念,研究人员利用喝绿茶代谢物原儿茶酸(PCA)作为分子开关。将来自于一种链霉菌(Streptomyces coelicolor)中响应原儿茶酸的转录阻遏蛋白PcaV、PcaV响应的操纵子DNA序列OPcaV和转录抑制子KRAB等生物分子元器件进行理性设计、组装和重编程,构建了原儿茶酸调控的基因表达控制开关(PCA Switch, 见图1)。原儿茶酸可以精确诱导转基因的表达,且控制系统在调控转基因表达上展现出良好的时间、剂量依赖性以及可逆性。并且,无论是注射、口服原儿茶酸以及饮用定制的浓缩绿茶方式均可以调控移植在小鼠体内的控制系统进行转基因表达。

图1:原儿茶酸控制开关(PCA Switch)设计原理示意图。

  鉴于该原儿茶酸调控系统的高度可控性,研究人员将该系统应用于以下三个方面应用研究:

  (1)构建原儿茶酸调控的表观遗传重塑和基因编辑装置。该装置是通过PCA控制Pol III启动子的活性来调控gRNA表达,从而实现对dCas9/Cas9活性的控制。研究人员分别开发了通过PCA调控内源基因抑制(PcaRi)、激活(PcaRa)和编辑(PcaRdel)三种控制装置,分别用于表观遗传重塑和基因编辑。

  (2)设计构建食物酚酸(原儿茶酸和香草酸)调控的生物计算机(见图2)。该生物计算机安装在细胞内并移植到动物体内,可以根据原儿茶酸和香草酸存在与否的指令执行准确的逻辑运算(包括A NIMPLY B,B NIMPLY A,AND,OR和NOR 5种逻辑运算)。该项研究是合成生物学领域中,首次在动物体内实现逻辑运算,为以后复杂精确药物输出和精准疾病治疗奠定了基础。

图2:在小鼠中,原儿茶酸(PCA)和香草酸(VA)调控的逻辑“与”门。

  (3)构建原儿茶酸调控的药物精准释放递送系统用于糖尿病治疗(图3)。为了实现原儿茶酸或“喝茶”调控基因表达和药物释放治疗疾病的目的,研究人员构建了PCA调控胰岛素(用于1型糖尿病治疗)或者GLP-1(胰高血糖素样肽-1,用于2型糖尿病治疗)表达的基因线路,并将基因线路稳定上载到人底盘细胞HEK-293中,从而获得PCA调控降血糖药物表达释放的人工定制化细胞。这些可控的细胞进一步被微胶囊包裹分别移植到1型或者2型糖尿病模型鼠体内,最终可以实现通过口服PCA或者口服定制的浓缩绿茶调控降血糖药物的表达释放来维持糖尿病小鼠体内的血糖稳态。

图3:PCA控制开关调控胰岛素或GLP-1表达治疗1型和2型糖尿病鼠。

  为了测试该可控定制细胞系统放大后在大动物体内的治疗效果及可行性,研究人员将原儿茶酸调控的定制化细胞通过微胶囊包裹后腹腔移植到1型和2型糖尿病猴体内。当糖尿病猴口服PCA后,可以激活调控体内移植的细胞表达释放胰岛素或GLP-1,从而起到降血糖作用(图4)。该部分研究是合成生物学研究领域中,基于人工基因线路的定制细胞首次在大动物猴子体内进行的尝试。为可控人工定制化细胞在今后临床应用又推进了一步并奠定了基础。

图4:PCA控制开关调控胰岛素或GLP-1表达治疗1型和2型糖尿病猴。

  值得注意的是,该工作的创新点包括调控式基因编辑装置的构建、药物的精确输送以及绿茶调控的定制化细胞治疗方式,不仅可以进一步促进细胞治疗的精准化,也为基础研究工作在面对复杂的特定环境下提供有用的研究工具。

  然而,叶海峰研究员称,绿茶调控的基因表达控制系统转化为实际应用还有待解决一些问题,例如目前是利用转座子系统(Sleeping Beauty)将该系统整合至基因组中,但该过程中发生一些错误的整合是无法预测和避免的。以后,课题组可能会采用CRISPR系统将控制装置更精确地整合至特定基因组上。其次,文章中所采用的人源细胞HEK-293虽然易于操作且非常适用于该系统,但对于临床转化来说,将系统整合至病人的原代细胞中才会更加安全,因此,研究该系统在病人自体细胞(如间充质干细胞)的调控效果在后续的转化工作中非常重要。最后,细胞植入体内采取的微胶囊包裹技术在延长细胞生命周期上也有待改善,以实现更长期的治疗效果。

  该研究受到了国家自然科学基金、上海市科委基础处合成生物学重大、重点专项的资助。该研究涉及的1型糖尿病猴子部分工作是由深圳市第二人民医院驯化器官医学工程技术研究开发中心牟丽莎教授协助完成。

  研究成果链接A green tea–triggered genetic control system for treating diabetes in mice and monkeys


通讯作者简介:

  叶海峰研究员于2007.8-2013.12在瑞士苏黎世联邦理工学院(ETH Zürich)从事博士和博士后研究工作。于2014年2月底回到母校十大信誉搏彩排行先后受聘为“紫江青年学者”“紫江优秀青年学者”,担任生命科学学院,上海市调控生物学重点实验室研究员、博士生导师。

叶海峰研究员

  叶海峰研究员主要从事合成生物学与生物医学工程领域的研究。2014年入选中央组织部“青年千人计划”,2015年获得国家自然科学基金委“优青”资助。2019年4月推动成立十大信誉搏彩排行医学合成生物学研究中心。叶海峰博士回国工作期间,带领自己的研究团队以通讯作者身份在Science Translational Medicine(2篇,均为封面文章)、Nature Biomedical Engineering、PNAS等著名杂志发表高质量研究成果。目前主持国家自然科学基金项目5项、上海市科委基础处合成生物学重大、重点专项各1项。参与国家科技部重大专项子课题1项。申请中国发明专利8项。同时担任中国生物工程学会合成生物学专业委员会委员、中国生物工程学会青年工作委员会委员、上海市生物工程学会第七届理事会理事、上海市生物工程学会合成生物学专业委员会副主任委员。



文、来源|生命科学学院  采访、摄影|吕安琪 视频|吕安琪 郑洋洋  

编辑|钟望阳  编审|郭文君



作者: | 信息来源:新闻网 | 浏览次数:1751

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