前沿 |《科学》杂志子刊封面论文:“定制”绿茶可控制血糖

2019-11-08 03:59:43

绿茶是中国最受欢迎的传统饮品之一,它富含茶多酚等多种有益成分,常饮绿茶对人身体大有益处。10月24日,以封面文章形式发表在国际著名学术期刊《科学·转化医学》(Science Translational Medicine)上的一篇研究论文显示,除了传统的保健功效,绿茶现在有了一个全新的角色——细胞的“指挥官”。
它既编辑得了细胞的基因组,还控制得了细胞的行为,在特定的时空下产生并释放治疗药物。 

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这项研究指出,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,从而控制细胞的各种行为,在特定的时空下产生并释放各种你想要的治疗药物。
智能细胞的行为可以按照需求调整改变,可以变为提高人体免疫力的抗体,也可以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。 
当这种细胞被植入人体后,人们通过饮用定制的浓缩绿茶,就可以激活细胞中特定基因的表达。这种细胞可以按需定制,在体内生产特定基因编码的蛋白药物,例如胰岛素等。
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身上得到验证,患糖尿病的猴子只需饮用原儿茶酸,就可达到控制血糖的效果。
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)。

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1 原儿茶酸控制开关(PCA Switch)设计原理示意图

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。
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。

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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。

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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。 

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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。 
目前糖尿病严重影响着患者的健康和生活,我国的糖尿病患者超过1.14亿人。据统计,仅2017年我国与糖尿病相关的诊断治疗支出,就达到约1100亿美元,占近13%的中国医疗总支出。其中,60岁以下因糖尿病死亡人数高达84万,这意味着巨大的医疗负担。 为了代替胰岛素注射的糖尿病治疗方法,该课题组人员选择胰岛素作为目的基因进行测试,设计合成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。这项研究成果仅在治疗糖尿病上,就有广阔的应用前景。 更加值得注意的是,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。 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。 
该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6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),设计合成原儿茶酸调控的转基因表达控制系统。
相关人士表示:“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。” 除此之外,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。