专家点评 | 叶海峰团队首创通过绿茶可控精准基因表达装置

点评 | 顾臻（加州大学洛杉矶分校）、谢震（清华大学）

责编 | 酶美

编者按：

“坐酌泠泠水，看煎瑟瑟尘。无由持一碗，寄与爱茶人。”中国有绵延上千年的茶文化，国人爱喝茶品茶。我国科学家创造性地开发出通过绿茶代谢底物控制的基因表达装置，并率先在哺乳动物鼠和灵长类动物猴中实验成功，实现了降糖药物的精准递送。

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”。诺贝尔医学奖史无前例的连续四年授予细胞医学，标志着全球医学界探求细胞未知世界的激情和对细胞治疗寄予的厚望。随着一些独特细胞治疗产品的开发，细胞治疗被认为是下一代医药。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。

2019年10月23日，来自华东师范大学的叶海峰团队在Science Translational Medicine上以封面文章形式在线发表题为: A green tea-triggered genetic control system for treating diabetes in mice and monkeys的研究工作，成功开发出绿茶代谢物原儿茶酸（PCA）调控的基因表达精准控制装置。以“喝茶”这种便捷的生活方式作为控制器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新的理念和策略。

为了实现“绿茶调控”的理念，研究人员利用绿茶次级代谢物原儿茶酸PCA，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）分别用于表观遗传重塑和基因编辑的三种控制装置。

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植入动物体内，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。

几千年来，绿茶一直都是人们喜爱的饮品。原儿茶酸是人们饮用绿茶后产生的直接代谢产物，本身就具有抗氧化、抗癌症等多种生物活性。而在此之前，控制定制化细胞的触发化合物大多为抗生素或者一些防腐剂成分，这些触发剂存在的安全隐患显然不适用于治疗中，而绿茶作为触发剂可以突破人工定制化细胞向临床应用转化的一大局限性。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。以后可能会采用CRISPR系统将控制装置更精确地整合至基因组上。其次，文章中所采用的细胞系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细胞中会更加安全。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。

但总的来说，该研究中所构建的调控式基因编辑装置、药物的精确输送以及绿茶调控的定制化细胞治疗方式将会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。

该研究涉及的1型糖尿病猴子部分工作是由深圳市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。

原文链接：

https://stm.sciencemag.org/content/11/515/eaav8826

专家点评

顾臻（美国加州大学洛杉矶分校生物工程系教授）

随着糖尿病人群的日益增加，如何对血糖进行快速且精准的调控仍然是人们面临的一个挑战。目前，科学者致力于通过不同的手段来智能控制药物（比如胰岛素/胰高血糖素样肽-1）释放实现维持血糖平衡。叶海峰团队的此项研究很具创新性，将合成生物学与智能药物递送结合，建立了一种基因控制的定制细胞疗法，以绿茶代谢产物原儿茶酸（PCA）作为触发因子，有效实现药物的精准释放。该体系通过嵌入PCA响应的合成基因线路实现可控表达胰岛素/胰高血糖素样肽-1，并把该体系运用于1型和2型糖尿病模型鼠和猴，取得了长效的控制血糖稳态。这种以食物/饮品触发的体内药物控释不仅为糖尿病疗法提供了一种新的治疗方案，还有望针对其他疾病构建智能响应的递药平台。当然，为潜在用于临床，还应对该方案的整体安全性，特别是针对相关工程化细胞的选择进行评估与优化。

专家点评

谢震（清华大学信息科学与技术国家实验室研究员）

活体细胞治疗药物被认为是下一代的药物类型，具有重要意义。然而，现有的细胞治疗药物缺乏对细胞功能的精确调控，往往导致细胞功能失常或过激，容易引发副作用。如何提高活体细胞药物的自主可控是研发下一代细胞疗法的关键技术之一。来自华东师范大学叶海峰团队在这项研究工作中报道了通过“喝茶”方式调控基因表达或者细胞功能的精准控制系统，为人工定制化细胞疗法转化为临床应用提供了一种新思路和新方法。

科研人员利用合成生物学理念设计、开发了能被茶叶代谢产物原儿茶酸（PCA）调控的基因表达控制开关。该PCA控制系统灵敏度高，小鼠口服定制的浓缩绿茶，即可调控植入小鼠体内的定制细胞表达分泌报告基因或治疗药物。 

此外，研究团队开发了通过PCA调控内源基因抑制（PcaRi）、激活（PcaRa）和编辑（PcaRdel）三种不同控制装置，展示了PCA控制系统广泛应用性。其中包括：1）研究团队构建了PCA调控的基因编辑装置，分别用于可控的表观遗传重塑和基因编辑；2）设计、构建了两种食物酚酸（原儿茶酸和香草酸）调控的生物计算机，实现了细胞内的分子信号逻辑运算，为药物合成的复制调控奠定了基础。

最令人兴奋的研究是，团队设计、构建了PCA控制胰岛素或胰高血糖素样肽-1表达的人工定制细胞，并将定制细胞通过微胶囊包裹技术分别移植到糖尿病模型鼠和猴中，最终实现了通过口服PCA或者口服定制的浓缩绿茶调控降血糖药物表达释放，维持动物体内的血糖稳态，为推动可控人工定制化细胞治疗进入临床应用奠定了基础。

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月底回到母校华东师范大学先后受聘为“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月推动成立华东师范大学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。