Science亮点 | 电遗传学——新一代精准化细胞调控的工具

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电信号对于心肌细胞，神经元和内分泌细胞的生理功能至关重要，是机体正常生理功能活动的重要调控媒介，那么是否可以利用电信号直接人为调控细胞的生理功能，包括特定基因的表达和释放，一直是学术界探究的方向。

近日，瑞士苏黎世联邦理工大学Martin Fussenegger团队、华东师范大学叶海峰团队、西湖大学解明岐等合作在Science杂志上发表了文章“Electrogenetic cellular insulin release for real-time glycemic control in type 1 diabetic mice”。该研究团队利用合成生物学方法工程化改造人胰岛β细胞，并利用定制的生物微电子设备实现对胰岛素合成和释放的精准调控。该研究所展示的电遗传学调控工具，是继光、磁、无线电波、超声等基因调控系统之后，又一项极具应用前景的远程调控细胞功能的工具。这也是生命科学界首次实现，直接以电信号为媒介远程精准调控哺乳动物细胞基因表达和释放的功能。

在本研究中，团队成员根据细胞可通过电压依赖性离子通道来实现对电刺激作出反应的原理，对候选的3种“L型”电压门控钙通道（CaV1.2、CaV1.342A 和 CaV1.342）进行筛查，并最终选取CaV1.2与向内整流的钾离子通道（Kir2.1）的组合（前期实验证明Kir2.1的共表达可以有效降低报告基因本底表达泄漏，并提高电刺激依赖性）。在以HEK-293T为底层细胞的共转染体系中，成功实现电刺激可调控Ca2+依赖的NFAT信号通路报告基因表达，而且报告基因的表达量受施加电压、脉冲长度和刺激持续时间所控制（图 1）。

图1 电信号调控哺乳动物细胞基因转录表达的设计示意图

同时研究人员在转录水平上证明了电调控基因表达的可能性，然后利用已筛选的CaV1.2与 Kir2.1组合，以胰腺β细胞系为底盘细胞进行工程化，得到对葡萄糖敏感性缺陷同时具有囊泡胰岛素分泌功能的单克隆胰腺β细胞系（Electroβ细胞）。实验证明Electroβ细胞可使胰岛素积聚在囊泡中，依赖于电刺激引发的膜去极化从细胞内储存小泡中快速释放胰岛素，同时不响应葡萄糖浓度的变化。并且刺激开始的10分钟内即可达到分泌高峰，实现电调控胰岛素快速释放的目标（图 2）。

图2 定制化Electroβ细胞的设计示意图

研究人员通过将Electroβ细胞包裹在可以皮下植入的电刺激装置中（图3）。结果表明在1型糖尿病小鼠模型的治疗应用中，该体系可以重复使用数周。利用无线供电元件诱发电刺激，主动调节Electroβ细胞中所储备胰岛素的分泌，并且在数分钟内即可抵消血糖浓度的波动。

图3 电调控胰岛素释放的电子药丸设计示意图

此外该团队的研究成果中多次提及新型电子药物的概念，其实有关电子药品的概念研究报告，早在20世纪初就已出现。但是，电子药物的概念仅限于将既定药物存储在特殊载体单元中，并控制其有序释放，以达到治疗疾病的效果。例如，用于糖尿病治疗的胰岛素泵电子自动化设备，可以定期监测患者的血糖并定量释放胰岛素。然而，胰岛素等蛋白类药物都存在易变性、难储存、量有限等问题，所以极大地限制了这种电子药物的长期使用。

近年来，活细胞药物工厂和智能微电子设备的结合已经逐渐发展起来。2017年华东师范大学医学合成生物学研究中心叶海峰课题组首次报道了通过智能手机超远程控制移植体内的电子药物胶囊表达释放胰岛素用于控制血糖稳态（Shao et al., Science Translational Medicine, 2017）（【独家专访】华东师大叶海峰组首次通过智能手机实现远程调控治疗糖尿病）。在本研究中所开发的利用电信号直接控制定制化细胞的胰岛素释放，进而控制血糖浓度，该策略有望为针对个人定制化的先进的精密医疗保健创造更多新的可能。

原文链接：

https://science.sciencemag.org/content/368/6494/993