卢冠达团队新文：精确控制哺乳动物细胞的合成基因控制系统

　　利用基于CRISPR基因编辑系统的方法，研究人员开发了一种精确控制哺乳动物细胞中产生的特定蛋白质数量的方法。

　　

使用基于CRISPR蛋白质的方法，麻省理工学院的研究人员开发了一种新方法，可以精确控制哺乳动物细胞中产生的一种特定蛋白质的数量。

这项技术可用于精细调整有用蛋白质的生产，如用于治疗癌症和其他疾病的单克隆抗体，或用于细胞行为的其他方面。在他们发表在《Nature Communications》上的新研究中，研究人员表明，该系统可以在多种哺乳动物细胞中工作，结果非常一致。

“这是一个高度可预测的系统，我们可以预先设计，然后得到预期的结果，”前麻省理工学院研究科学家William C.W. Chen说。“这是一个非常可调的系统，适用于不同细胞类型的许多不同的生物医学应用。”

其他作者还有前麻省理工学院研究科学家Leonid Gaidukov和博士后Yong Lai。资深作者Timothy Lu（卢冠达）领导了这项研究，他是麻省理工学院生物工程、电子工程和计算机科学的副教授。

基因控制

许多治疗性蛋白质，包括单克隆抗体，都是在大型生物反应器中生产的，反应器中含有经过工程改造的哺乳动物细胞，可产生所需的蛋白质。几年前，麻省理工学院合成生物学中心(Synthetic Biology Center)的研究人员，包括Lu的实验室，开始与辉瑞公司(Pfizer Inc.)合作开发合成生物学工具，以促进这些有用蛋白质的生产。

为此，研究人员瞄准了他们想要上调的基因的启动子。在所有的哺乳动物细胞中，基因都有一个启动子区域，与转录因子结合，转录因子是启动基因转录成信使RNA的蛋白质。

在之前的工作中，科学家设计了合成转录因子，包括一种叫做锌指的蛋白质，以帮助激活目标基因。然而，锌指和大多数其他类型的合成转录因子必须针对它们所靶向的每个基因重新设计，这使得它们的开发具有挑战性和耗时。

2013年，Lu实验室的研究人员开发了一种基于CRISPR的转录因子，使他们能够更容易地控制哺乳动物和酵母细胞中自然发生基因的转录。在这项新研究中，研究人员开始在这项工作的基础上创建一个合成生物部分的文库，使他们能够传递一种转基因基因——一种通常不被细胞表达的基因——并精确控制其表达。

“我们的想法是要有一个全光谱合成启动子系统，可以从非常低到非常高，以适应不同的细胞应用，”Chen说。

研究人员设计的系统包括几个部分。一个是要转录的基因，还有一个“操作符”序列，由一系列人工转录因子结合位点组成。另一个成分是导向RNA，它与这些操作符序列结合。最后，该系统还包括一个转录激活结构域，连接到失活的Cas9蛋白上。当这个失活的Cas9蛋白与合成启动子位点的引导RNA结合时，基于CRISPR的转录因子就可以启动基因表达。

用于该合成系统的启动子位点被设计成与自然发生的启动子位点不同，因此该系统不会影响细胞自身基因组中的基因。每个操作符包含2到16个导向RNA结合位点的拷贝，研究人员发现，他们的系统可以启动基因转录，其速率与结合位点的数量线性对应，使他们能够精确地控制蛋白质的生成量。

高一致性

研究人员在几种类型的哺乳动物细胞中测试了他们的系统，包括中国仓鼠卵巢(CHO)细胞，这种细胞通常用于在工业生物反应器中生产治疗性蛋白质。他们在CHO细胞和他们测试的其他细胞中发现了非常相似的结果，这些细胞包括小鼠和大鼠的成肌细胞(肌肉细胞的前体)、人类胚胎肾细胞和人类诱导多能干细胞。

“该系统在不同的细胞类型和不同的目标基因上具有非常高的一致性，”Chen说。“这是一个很好的起点，思考如何用一个高度可调、可预测的人工系统来调节基因表达和细胞行为。”

在首次证明他们可以使用新系统诱导细胞产生预期数量的荧光蛋白后，研究人员表示，他们也可以使用该系统来编程产生一种名为JUG444的单克隆抗体的两个主要片段。

研究人员还对CHO细胞进行编程，使其产生不同数量的名为抗PD1的人类抗体。当人类T细胞与这些细胞接触时，如果产生大量的抗体，它们就会成为更强的肿瘤细胞杀手。

他们说，尽管研究人员能够获得所需抗体的高产量，但还需要进一步的工作将该系统纳入工业过程中。与工业生物反应器中使用的细胞不同，这项研究中使用的细胞是在平面上生长的，而不是在液体悬浮液中。

“这是一个有望在工业应用中使用的系统，但首先我们必须将其应用到悬浮细胞中，看看它们是否以同样的方式制造蛋白质。我认为应该是一样的，因为没有理由不应该，但我们仍然需要测试它，”Chen说。

William C. W. Chen, Leonid Gaidukov, Yong Lai, Ming-Ru Wu, Jicong Cao, Michael J. Gutbrod, Gigi C. G. Choi, Rachel P. Utomo, Ying-Chou Chen, Liliana Wroblewska, Manolis Kellis, Lin Zhang, Ron Weiss, Timothy K. Lu. A synthetic transcription platform for programmable gene expression in mammalian cells. Nature Communications, 2022; 13 (1)