合成生物学再立功，“饼干”也能降血糖！北大联合华师大开发密码子扩展细胞疗法用于食疗...
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吃块饼干，就能降血糖。这并非天方夜谭，日前，中国科学家让小鼠服用“非天然氨基酸成分的饼干”，即可在 90 分钟内实现降血糖。
图 | 非天然氨基酸饼干（来源：Nature Chemical Biology）
饼干的主要成分是小鼠饲料，同时还添加了非天然氨基酸，借此可让糖尿病小鼠的血糖得到控制。
11 月 16 日，相关论文以《用于治疗小鼠糖尿病的基于遗传密码扩展的细胞疗法》（Genetic-code-expanded cell-based therapy for treating diabetes in mice）为题发表在 Nature Chemical Biology 上[1]。
图 | 相关论文（来源：Nature Chemical Biology）
该研究由北京大学药学院刘涛教授、联合华东师范大学生命科学学院叶海峰教授团队合作完成，饼干能有如此功效，是因为他们研发出一款非天然氨基酸调控的胰岛素细胞治疗系统。
图 | 研究团队的主要成员：左起黄雨佳、刘涛、陈超、叶海峰研（来源：北大药学院）
相关实验表明，该系统在翻译水平上可对蛋白质表达进行快速调控。该成果的诞生，也让蛋白调控开关工具库添加“新武器”，基因密码子（codon）扩展技术的相关应用也迎来了新思路。
图 | 非天然氨基酸调控的胰岛素细胞治疗系统的开关调控方式（来源：Nature Chemical Biology）
当前迫切需要研发快速蛋白表达调控系统
很多糖尿病患者为了控制血糖，不得不长期注射胰岛素，这一过程往往比较痛苦。如何只通过口服药就能实现控制血糖？是科学家们一直在研究的课题。
图 | 胰岛素注射器（来源：Pixabay）
近年来，合成生物学飞速进步，借助它所研发的细胞治疗系统，在疾病治疗上具备较好潜力。这类细胞治疗的原理一般是把药物蛋白表达的调控开关安装在细胞中。当出现外源刺激信号时，细胞即可进行调控，并能把药物蛋白释放出来。
当细胞治疗用于糖尿病治疗时，借助口服小分子药物，即可形成外源刺激信号，进而对胰岛素表达进行控制，这时患者就有希望告别胰岛素注射之痛。
此前的难题在于，就转录水平调控设计来说，它依然是多数药物蛋白调控开关的设计思路，这意味着转录因子必须先得到外源刺激信号的刺激，再将药物蛋白进行基因转录，然后再加工成 mRNA，直到这时药物蛋白才可被翻译出来。
一言以蔽之，上述调控过程不仅复杂，蛋白表达时间也很缓慢，因此细胞治疗较难用于糖尿病治疗。鉴于此，非常有必要研发出快速的蛋白表达调控系统。
（来源：Nature Chemical Biology）
给小鼠吃块非天然氨基酸饼干
借助合成生物学技术，该团队开发出一种新型工程细胞，当给糖尿病小鼠植入该细胞，然后再食用氨基酸饼干。大约一个半小时之后，小鼠体内胰岛素水平即可被提高，最终实现降糖作用，起效时间上和注射胰岛素不相上下。据悉，这也是基因密码扩展技术第一次用于细胞治疗。
不过，饼干只是小鼠体内产生胰岛素的载体，其背后有一座“小工厂”在产生胰岛素。作为一种人体蛋白，胰岛素只有被精准控制，血糖水平才能随之得到良好调控。一旦高了就会发生低血糖，低了则会发生其他危害。
这时，非天然氨基酸调控的胰岛素细胞治疗系统即可派上用场，其原理在于采用人造密码子。由于自然界存在三个不编码氨基酸的密码子，因此借助相应的人为干预，即可让某个密码子“听懂”氨基酸饼干的指令。
尽管在自然界中并不存在饼干里的特殊氨基酸。但是，密码子被改造之后，“摇身一变”立马就能拥有双重身份。当人工氨基酸出场时，密码子就会开启配对模式，进而启动胰岛素的翻译；当人工氨基酸离场时，密码子就会关闭整个流水线，这便是用饼干合成胰岛素的全流程。
也就是说，该团队使用合成生物学给饼干“挖”了一条路，借助氨酰化的生化反应，可将特定的转运 RNA 和非天然氨基酸连接起来，饼干会被送到胰岛素装配生产线上。就这样，本身是饼干里的非天然氨基酸，竟能成为生物体内胰岛素的重要组成部分。
上述过程也叫“生物正交”，指的是机体内源的元件即无法识别人造反应，也无法干扰内源的生化过程。在其他生命活动正常进行的情况下，胰岛素的制造过程也能如常进行。具体来说，只要非天然氨基酸达到纳摩尔每升级别浓度，当小鼠得到 1 分钟给药，控制系统就可被激活，随后即可释放胰岛素 。
如果你经常喝功能性饮料，就会发现其成分表中会有类似的非天然氨基酸，它对人体十分友好。研究中，刘涛等人在小鼠皮下植入工程细胞材料包，再让它食用饼干，小鼠血糖可在一月之内得到有效且稳定的降低。
（来源：Nature Chemical Biology）
与此同时，当小鼠在一月之内连续服用有效剂量的非天然氨基酸之后，体重或其它生化指标并未出现明显改变。
“进化”之后的基因密码子扩展技术
一直以来，蛋白质的定点修饰，是基因密码子扩展技术的最重要应用。基于该团队在蛋白质翻译机制上的积累，他们建立了这项药物蛋白调控系统，并在蛋白质翻译水平上实现调控。
“进化”之后的基因密码子扩展技术，可识别非天然氨基酸的氨酰转运 RNA 合成酶和转运 RNA 分子对，在翻译含有异位琥珀密码子的 mRNA 时，非天然氨基酸即可被插入蛋白质。
当把含有异位琥珀密码子的药物蛋白基因、氨酰转运 RNA 合成酶、以及转运 RNA 分子对植入小鼠细胞基因组中，即可构建出非天然氨基酸调控的胰岛素细胞治疗系统的细胞系。
对比来说，当处于普通培养基时，由于缺乏非天然氨基酸，当系统细胞的核糖体翻译到异位琥珀密码子时，就会被迫终止。当处于含有非天然氨基酸的培养基中，系统细胞即可利用非天然氨基酸来翻译药物蛋白。
该系统的优点在于，它所激活的蛋白表达，对非天然氨基酸呈现出较强的可逆调控和浓度依赖。细胞和非天然氨基酸只需接触 60 秒，系统即可被激活，效率之快远超过传统转录水平调控系统。
那么，小鼠体内是否能实现口服非天然氨基酸调控目的蛋白表达？为此，该团队展开了非天然氨基酸的药物代谢动力学实验，结果显示小鼠服用非天然氨基酸之后可以被体内吸收。
考虑到在人类细胞体外改造之后，再移植到小鼠体内，一般要克服相应的免疫排斥反应。所以他们使用临床研究上的细胞包埋方法，先将系统细胞的包裹以选择性的方式透过膜，然后进行细胞移植操作。
选择性透过膜的好处在于，这种方式只会让蛋白质等生物大分子和小分子通过，小鼠免疫细胞则会被滤出在外，从而可让小鼠体内的系统细胞得以存活，进而可分泌出所需的蛋白，随后即可流入血液。
由于进食会影响患者的血糖水平，因此当血糖得到及时、且准确的控制，那么相关并发症的发病率也可得到降低。此前使用转录水平调控的胰岛素表达系统，小鼠血糖在 4 小时之后才会被降低，远远无法实现快速控血糖。
这意味着，翻译水平调控系统的降血糖速度必须得到提升。研究中，该团队先给糖尿病小鼠移植进去非天然氨基酸调控的胰岛素细胞治疗系统，然后准备单一剂次的非天然氨基酸，并对小鼠进行灌胃，口服之后大约90分钟时，小鼠的血清胰岛素水平升高，相对应的血糖值出现显著降低，这说明翻译水平调控蛋白表达在速度上十分具有优势。
“吃饭就是吃药”？
有了速度还得有长期性的优势，非天然氨基酸调控的胰岛素细胞治疗系统是否具有长期治疗效果？
在对糖尿病小鼠的胰岛素和血糖水平，进行一整月的监控之后，该团队发现小鼠血糖可被长期控制。
（来源：Nature Chemical Biology）
他们还给小鼠饲料掺进去非天然氨基酸，做成一种饼干，小鼠就像吃饭一样吃进去之后，就可以控制血糖，可谓“吃饭就是吃药”，便利程度极佳。在长期的毒性实验中，非天然氨基酸也对小鼠毫无伤害。
可以说，该研究让传统的转录水平调控得以被跨越，当能在阶段控制蛋白表达直接进行翻译，蛋白质调控速度也可得到提高，也意味着细胞治疗的调控工具在合成生物学领域再次得到扩展。
对于糖尿病患者的疾病干预来说，新型治疗策略也有望在若干时间内落地。可以展望的是，未来有望实现饭前吞下一粒非天然氨基酸药物，或者食用含有非天然氨基酸成分的食物，即可实现控血糖。
-End-
支持：徐子喻、赵晓旭
1、Chen, C., Yu, G., Huang, Y. et al. Genetic-code-expanded cell-based therapy for treating diabetes in mice. Nat Chem Biol (2021).
https://doi.org/10.1038/s41589-021-00899-z
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