生物學家通過精巧的基因電路設計和火力全開的免疫因子，避開健康細胞成功識別并殺滅了實驗小鼠體內的癌細胞，將癌細胞的偽裝、應激、抵抗一一化解。《細胞》雜志近期刊登的這個研究有哪些獨到之處？

基因電路？活體里的電子學科嗎？難不成是研究人類機器人？

且慢，別急著思考倫理問題，這種提法其實是生物學家強大的想象，指的是利用合成生物學的精巧設計，控制細胞里的通路，讓人們能“開關”細胞的行動。

近日，《細胞》雜志刊登美國麻省理工學院盧冠達團隊的研究成果，他們設計了基于合成RNA的免疫調節基因電路、可用于癌癥的免疫治療。

這款“精妙”的基因電路如何工作？它又如何制服狡猾、善變的癌細胞呢？科技日報記者日前專訪了兩位“千人計劃”專家，分別解答該研究中兩個科學領域的問題。

造個“特洛伊木馬”，幫“信號兵”潛進癌細胞的城池

弄清科學家的精妙設計，還要從它的攻擊對象——癌細胞說起。

眾所周知，癌細胞無限繁殖，這個特點只有它“扎堆”的時候才能顯現出來。機體要殺滅單個細胞，如何區分癌細胞和正常細胞呢？

“癌細胞內部是特異性表達，”“青年千人計劃”學者、四川大學生物治療國家重點實驗室羅云孜說，“癌基因、原癌基因等會在癌細胞中被激活，使正常細胞發生癌變。這個研究中用的是cMYC、E2F1(基因名)兩個轉錄因子基因。”

也就是說這兩個基因在癌細胞中異常活躍，而正常細胞中它們相對平靜。盧冠達團隊將它們看成癌細胞自帶的“鑰匙”，根據鑰匙設計了一套“鎖”。鎖的特點是，只有兩個鑰匙同時開鎖，才會被打開。

羅云孜解釋，第一把鑰匙打開的反應不會進行到底，“第一個啟動子啟動轉錄，生成的mRNA(信使RNA)會在尾部有個特別的結構，能和細胞內的微小RNA結合(miR1)，不會繼續進行蛋白翻譯的步驟。只有當第二個啟動子啟動的轉錄生成了另一段序列，走過來把miR1帶走，蛋白翻譯才會繼續進行”。

這種兩把鑰匙合作開一把鎖的模式，在集成電路中被稱為“與門”結構。盧冠達表示，是受“與門”的啟發，想到設計這個結構的。

把合成的基因電路“安插”進癌細胞中，團隊利用了慢病毒載體。“病毒侵染，可以讓病毒的每一代都有特異表達”，“千人計劃”創業人才、上海比昂生物創始人楊光華說，總的來說，這套裝置就像特洛伊木馬，將信號兵帶進癌細胞的城池，而只有兩把鑰匙共同打開木馬上的鎖，信號兵才會出來發信號。

“這個設計雖然使用已知基因元件，但并不簡單，需要進行嚴格的篩選。導入基因必須和正常細胞內的系統沒有關聯性，確保只啟動癌細胞中的‘電路’，不會對正常細胞產生影響。”羅云孜說，研究團隊經過了大量的優化實驗，才完成基因序列的最終合成。

基因電路最難做到的是“準確”。盧冠達團隊合成的精巧的控制器，為“攻擊手”辨認癌細胞設置了一個“雙保險”的開關。羅云孜說：“它起的是精確制導的靶子的作用，這項研究大大降低對正常細胞的誤傷率。”

在癌細胞里安插了準確的“信號兵”，下一步就可以進行“攻城拔寨”的戰斗了。也就是接入功能基因，開啟對癌細胞的“征討”。

煙霧彈、信號彈、照明彈、遠程長短炮……火力齊發

一旦信號兵放倒“消息樹”，身體內的免疫系統將會被調動起來。接下來的實戰，是一場堪比《權利與游戲》的抗癌“心機戲”——

一頭，研究用基因電路的方法設計了能準確放倒“消息樹”的“信號兵”，另一頭，合成了完備的全功能攻擊戰斗團。

為啥這個戰斗團前要加上這么多修飾詞呢？因為目前很少有研究將多個不同角色的腫瘤對抗基因聯合起來編隊。

戰斗團編隊有4個，分別是表面T細胞結合子(STE)，一種細胞表面抗原，是癌細胞的特異性識別位點；趨化因子21(CCL21)，可以促進T細胞在癌細胞位點聚集；白介素12(IL12)，一種可以增強T細胞活性和功能的細胞因子；PD-1抑制，能夠降低癌細胞對免疫系統的抑制。

“STE，它幫助能殺傷癌細胞的T細胞鎖定目標，有照明彈的功能，”楊光華一一解釋，“CCL21，像信號彈，所有的T細胞火力將循著身體里的這個信號向癌細胞集結；IL12是真正的炮彈，使得T細胞的火力和功能大大增強，具有高活力的殺傷性。”

其中最斗智的是“PD-1抑制”的設計，它專門針對癌細胞這個“戲精”。“癌細胞會‘扮演’成正常細胞。”楊光華說，“其表面出現PD-L1與T細胞表面的PD-1結合，會騙過T細胞，而PD-1抑制的‘元件’像‘煙霧彈’阻擋假象對T細胞的干擾。”

“癌細胞有應激反應，會越戰越精，所以4種不同方法并用，應對狡猾的癌細胞。”羅云孜說，希望能達到腫瘤完全消退的目的。

但是，在實際的臨床治療中，還需要更深入的開發。楊光華認為，研究用的材料是理想狀態的腫瘤細胞系，而實際的腫瘤細胞基因非常復雜，并不一定能強勁開啟對腫瘤細胞全方位的識別。“研究提出了一個治療新理念——免疫基因電路平臺的概念，能夠特異性表達這些免疫基因，達到篩選的目的。”

拼裝、運行、驗證，基因就像一個個小的“電子元器件”

今年3月，《科學》雜志刊出專刊，總結刊登了7篇合成生物學方面的重大突破，其中有4篇成果是中國學者作為通訊作者發表的。羅云孜說：“他們的工作主要是人工合成了酵母的基因組。”

“這在合成生物學領域是重大事件”，羅云孜說，這證明從2008年美國科學家合成支原體基因組以來，人類對基因組的合成已經上升到了真菌界，人類可以創造出真核生物。

“基因組的合成包含對基因功能的驗證、組合和優化設計。”羅云孜說，其間，基因像一個個小的“電子元器件”，拼裝、運行、驗證，用于完成人們的生產生活目標。

在微生物制造方面，進行了基因電路改造的酵母已經可以用于人參有效物質的合成，例如皂苷等。羅云孜說：“合成植物來源化合物，需要多個基因組合表達，進行改變優化的東西很多。如何有效表達，如何調配不同基因的表達量，都要精確的程序設置。”

“我們需要回答的問題是，不同的基因元件，如何搭起來更有效、更精準。”作為合成生物學家，羅云孜解釋，對于已知功能的基因，將其模塊化、基本化，用于進一步的裝配研究，“然而人類對基因的功能并不是完全清楚。相較于電子元器件來說，裝配基因會更不穩定，需要設計復雜的實驗予以證實”。

在醫學研究方面，我國已經利用合成生物學建立起相關疾病的篩查和驗證平臺。此外為了增加基因療法的安全性，楊光華團隊還在進行藥物控制免疫系統對癌細胞攻擊的研究。

楊光華介紹，團隊此前構建了可誘導的慢病毒載體，可實現通過給藥、停藥開關基因表達，通過藥物劑量來控制CAR-T療效的強弱，從而調控體內免疫系統與癌細胞的“戰爭級別”。記者 張佳星