哺乳動物合成生物學(xué)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究進(jìn)展

楊林鳳，尹劍麗，王美艷，葉海峰

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哺乳動物合成生物學(xué)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究進(jìn)展

楊林鳳，尹劍麗，王美艷，葉海峰

華東師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院上海市調(diào)控生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200241

楊林鳳, 尹劍麗, 王美艷, 等. 哺乳動物合成生物學(xué)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究進(jìn)展. 生物工程學(xué)報, 2017, 33(3): 436–455.Yang LF, Yin JL, Wang MY, et al. Research progress of mammalian synthetic biology in biomedical field. Chin J Biotech, 2017, 33(3): 436–455.

雖然合成生物學(xué)還處于早期研究階段，但最近十年，該領(lǐng)域取得了非常顯著的研究進(jìn)展。合成生物學(xué)是以工程學(xué)思想為基礎(chǔ)，通過人工設(shè)計(jì)、改造基因線路，從而賦予細(xì)胞或生物體新的功能，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。隨著人們對基因線路設(shè)計(jì)的深入研究，使得合成生物學(xué)研究走向臨床應(yīng)用成為可能。本文將圍繞哺乳動物合成生物學(xué)在疾病治療方面的研究進(jìn)展，介紹基因線路的設(shè)計(jì)思路和方法、不同誘導(dǎo)因子調(diào)控的開環(huán)式基因線路以及用于疾病診療的閉環(huán)式基因環(huán)路在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。最后對合成生物學(xué)走向臨床治療的應(yīng)用前景和挑戰(zhàn)進(jìn)行展望。

合成生物學(xué)，基因線路，基因治療，細(xì)胞治療

合成生物學(xué)是一門綜合性的學(xué)科，致力于合成一些功能元件、模塊、系統(tǒng)，從而對生命體進(jìn)行有目的的設(shè)計(jì)、改造，使細(xì)胞或生物體具有特定的新功能[1-2]。隨著基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)的發(fā)展，大量生物分子的功能被挖掘出來，包括DNA、RNA調(diào)控序列，配體響應(yīng)蛋白，相互作用蛋白等。這為合成生物學(xué)家設(shè)計(jì)、合成各種基因線路提供良好的素材[3-4]。近幾年，隨著基因、細(xì)胞治療理念的深化，科學(xué)家們開始將人工合成的基因網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)入哺乳動物細(xì)胞內(nèi)用于各種疾病的治療。因此，為了能更好地概述哺乳動物合成生物學(xué)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究進(jìn)展，本文首先介紹哺乳動物合成基因線路設(shè)計(jì)的思路和方法，之后再介紹各種開環(huán)式和閉環(huán)式基因線路用于各種疾病治療的案例，最后探討哺乳動物合成生物學(xué)走向臨床應(yīng)用的前景和挑戰(zhàn)。

1 構(gòu)建哺乳動物合成生物學(xué)基因線路的設(shè)計(jì)思路和方法

生物遺傳信息的傳遞需要轉(zhuǎn)錄和翻譯的過程，因此在不同的生物體中存在具有特定生物功能的大分子和基因線路。而合成生物學(xué)的目的就在于設(shè)計(jì)和改造這些功能元件，使生物體具備某種新的特定功能。因此，為了構(gòu)建具有醫(yī)學(xué)治療價值的復(fù)雜生物系統(tǒng)，合成生物學(xué)家通過理性設(shè)計(jì)和組裝各種生物功能元件來達(dá)到目的。本節(jié)主要介紹合成生物學(xué)在轉(zhuǎn)錄水平、翻譯水平以及翻譯后水平對信號通路設(shè)計(jì)、合成的思路和方法以及生物信息學(xué)在基因線路設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用。

1.1 轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控環(huán)路

目前，大多數(shù)基因治療和自體細(xì)胞療法都利用病毒啟動子或組織特異性和內(nèi)源性的啟動子來進(jìn)行轉(zhuǎn)基因表達(dá)，然而病毒性啟動子可能會存在基因毒性[5]，在體內(nèi)也容易引起基因沉默[6]。而組織特異性和生理學(xué)的啟動子可以在特定細(xì)胞系中以相似的表達(dá)模式表達(dá)適量蛋白，以減少基因毒性和細(xì)胞毒性[7-8]。但是由于內(nèi)源性的啟動子和調(diào)控元件在不同細(xì)胞系中的表達(dá)量和含量會有所差異[9]，會出現(xiàn)表達(dá)量不足以致難以達(dá)到治療效果的情況[10]，因此在構(gòu)建基因線路中不易于設(shè)計(jì)、改造[11]。相比較而言，合成的最小啟動子更加適于應(yīng)用在ON和OFF基因開關(guān)的設(shè)計(jì)上，這些開關(guān)可以響應(yīng)內(nèi)源或外源的誘導(dǎo)劑，從而對基因表達(dá)進(jìn)行精確的時空調(diào)控 (圖1)。

早期研究報道表明，細(xì)菌中的轉(zhuǎn)錄調(diào)控蛋白可與特定的DNA操縱序列結(jié)合，將該DNA結(jié)合域與轉(zhuǎn)錄調(diào)控功能域在哺乳動物細(xì)胞內(nèi)融合表達(dá)，可用于調(diào)控下游基因表達(dá)。具體調(diào)控方式如下：將該蛋白與轉(zhuǎn)錄激活蛋白 (如Viral protein 16，VP16等) 融合表達(dá)，該融合蛋白將結(jié)合至下游的DNA操縱序列上，轉(zhuǎn)錄激活子將招募轉(zhuǎn)錄激活因子，啟動最小啟動子表達(dá)下游基因[12-14]；或者將該蛋白與轉(zhuǎn)錄抑制蛋白 (如Kruppel-associated box，KRAB等) 融合表達(dá)，則可以通過與強(qiáng)啟動子下游的DNA操縱序列結(jié)合并阻遏下游基因的表達(dá)[15](圖1A)。

為了能夠在惡劣的環(huán)境中生存，細(xì)菌進(jìn)化出大量的刺激物調(diào)控轉(zhuǎn)錄響應(yīng)系統(tǒng)[16]。類似于大腸桿菌中的四環(huán)素調(diào)控的TetR系統(tǒng)，大多數(shù)的原核生物基因調(diào)控蛋白都是轉(zhuǎn)錄抑制子，當(dāng)誘導(dǎo)物分子不存在時，調(diào)控蛋白結(jié)合至相應(yīng)的DNA操縱序列，該結(jié)合具有很高特異性和親和力；當(dāng)有刺激物分子存在時，該分子會與轉(zhuǎn)錄調(diào)控蛋白結(jié)合，使其空間構(gòu)象改變，從操縱序列上解離下來[17]。這一系列誘導(dǎo)物調(diào)控的基因線路系統(tǒng)可以用于激活或抑制基因的表達(dá)，可作為基因編輯調(diào)控的工具。將這些小分子調(diào)控系統(tǒng)用于哺乳動物細(xì)胞，可以構(gòu)建一系列有價值的模式系統(tǒng)，包括基因開關(guān)[18–19]、篩選器[20]、時間延遲基因線路[21–22]和振蕩器[23–25]等。迄今為止，已有多篇文章發(fā)表通過化學(xué)物質(zhì)調(diào)控基因表達(dá)的轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控裝置，其在臨床醫(yī)學(xué)治療方面的潛力也逐漸被發(fā)掘出來，隨后本文就其在疾病治療中的應(yīng)用展開討論。

近幾年，原核生物轉(zhuǎn)錄因子作為DNA結(jié)合域的應(yīng)用已經(jīng)逐漸被鋅指蛋白(Zinc-fingerproteins，ZF)、轉(zhuǎn)錄激活因子樣效應(yīng)物核酸酶 (Transcription activator-like effectors，TALEs) 和CRISPR (clustered regular interspaced short palindromic repeats)/Cas9 (CRISPR-associated protein) 所代替，這種轉(zhuǎn)錄因子不受DNA操縱序列的限制，原則上可以靶向任何DNA序列。前兩個可編程的轉(zhuǎn)錄系統(tǒng)都是基于共價鍵結(jié)合的形式，鋅指蛋白可以通過Cys2-His2鋅指結(jié)構(gòu)域與特定核苷酸序列結(jié)合，TALEs是通過33?35個保守氨基酸序列去識別DNA序列[26-27]。如果將這兩種蛋白與轉(zhuǎn)錄調(diào)控域融合表達(dá)，這些系統(tǒng)則可以調(diào)控任何內(nèi)源或外源基因的轉(zhuǎn)錄表達(dá)[28-34]。CRISPR/Cas9技術(shù)則是基于Watson-Crick堿基配對原則，核酸內(nèi)切酶Cas9可以在一條20個堿基的非編碼向?qū)NA (sgRNA) 的作用下結(jié)合至與sgRNA序列互補(bǔ)的核苷酸序列處，并對靶基因進(jìn)行切割，引起DNA雙鏈斷裂 (double-stranded breaks，DSBs)。斷裂的雙鏈DNA在生物體內(nèi)的修復(fù)方式主要包括非同源末端連接 (non-homologous end-joining，NHEJ) 和同源指導(dǎo)修復(fù) (homologous directed repair，HDR)。隨后，通過突變得到的dCas9 (dead Cas9) 保留了其DNA結(jié)合的功能而失去了切割活性，利用這一特點(diǎn)，科學(xué)家們將dCas9與不同類型的轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子進(jìn)行組合，從而形成各種轉(zhuǎn)錄激活、抑制裝置?；贑RISPR/Cas9系統(tǒng)的激活裝置可分為以下幾種類型：1) dCas9直接與各種轉(zhuǎn)錄激活因子融合表達(dá)，其中激活因子可包括：多個拷貝的單純皰疹病毒蛋白 (VP16)n[35-36]、VP16的四聚衍生物VP64[37-38]、NF-κB 的轉(zhuǎn)錄激活域p65[39]、VPR (VP64-P65-Rta)[40]、SunTag[41]、組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶p300[42]和DNA去甲基化酶Tet1[43-45]等；2) 改造sgRNA使其含有一個莖環(huán)結(jié)構(gòu)可與噬菌體外殼蛋白MS2結(jié)合，從而可通過表達(dá)MS2-VP64[46]、MS2-p65-HSF1[47]等形式的激活裝置間接實(shí)現(xiàn)基因的激活表達(dá)。目前CRISPR/Cas9系統(tǒng)的抑制裝置也可通過dCas9融合轉(zhuǎn)錄抑制子KRAB[48-49]、甲基化轉(zhuǎn)移酶DNMT3a[50-51]、組蛋白去甲基化酶LSD1[52]等形式實(shí)現(xiàn)基因的抑制。此外，改變sgRNA的長度也可實(shí)現(xiàn)基因的激活和抑制[53]。目前，一些調(diào)控的CRISPR/Cas9系統(tǒng)不斷被開發(fā)出來，如雷帕霉素調(diào)控Cas9系統(tǒng)[54]、藍(lán)光調(diào)控Cas9系統(tǒng)[39]。相比較于ZNF和TALEN技術(shù)，CRISPR因設(shè)計(jì)簡單、效率高、作用范圍廣而被快速地應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。令人更為激動的是，四川大學(xué)華西醫(yī)院腫瘤學(xué)家盧鈾領(lǐng)銜的團(tuán)隊(duì)首次將CRISPR/Cas9應(yīng)用于臨床中，即通過CRISPR/ Cas9系統(tǒng)敲除T細(xì)胞中抑制免疫功能的PD-1基因，并在體外進(jìn)行細(xì)胞擴(kuò)增。該類細(xì)胞擴(kuò)增至一定量后再植入患者體內(nèi)并發(fā)揮殺傷腫瘤的功能[55](圖1A)。

1.2 翻譯水平調(diào)控環(huán)路

隨著功能性RNA的研究日益深入，合成生物學(xué)家們也開始尋求從功能性RNA方面去設(shè)計(jì)、合成基因線路。RNA干擾是真核細(xì)胞中非常重要的轉(zhuǎn)錄抑制系統(tǒng)，干擾RNA和microRNAs (miRNA) 可以通過調(diào)控內(nèi)源的蛋白復(fù)合體并結(jié)合至與它們的堿基序列互補(bǔ)配對的信使RNA，阻礙其翻譯過程從而調(diào)控基因表達(dá)[56]。這種miRNA調(diào)控在維持組織特異性和發(fā)育階段特異性方面具有重要作用[57-58]。因此，科學(xué)家們通過利用miRNA可特異性結(jié)合至信使RNA的3'端非翻譯區(qū) (untranslated regions，UTRs) 的特點(diǎn)，將其用于基因治療和細(xì)胞治療中以降低脫靶效應(yīng)。在基因治療中，利用病毒載體傳輸，可以在特定的細(xì)胞系中表達(dá)miRNA抑制特定基因的表達(dá)[59]，比如通過抑制相關(guān)基因在抗原遞呈細(xì)胞中的表達(dá)可以增加基因治療的免疫耐受力[60-61]。在利用工程化的離體造血干細(xì)胞 (hematopoietic stem cells，HSCs) 進(jìn)行細(xì)胞治療的過程中，為了降低在HSC分化過程中的細(xì)胞毒性[62-63]并保證治療基因在HSC來源的細(xì)胞系中特異性表達(dá)[64]，研究者們通過設(shè)計(jì)、合成不同發(fā)育階段、不同細(xì)胞系中特異性表達(dá)miRNA的基因線路來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

RNA干擾介導(dǎo)的沉默機(jī)制作為一個非常有價值的工具已經(jīng)廣泛運(yùn)用于基因治療和細(xì)胞治療方面，miRNA介導(dǎo)的基因沉默在合成生物學(xué)中的應(yīng)用也十分廣泛，目前，RNA干擾裝置可用于構(gòu)建緊密式的基因開關(guān)[65]調(diào)控特定基因表達(dá)的合成基因線路[66]、可調(diào)控基因表達(dá)的邏輯門基因線路[67-68]和可識別腫瘤細(xì)胞的分選裝置[69](圖1B)。

另外，存在于mRNA中的核糖體開關(guān) (riboswitch) 于2002年被首次發(fā)現(xiàn)[70]，關(guān)于riboswitch的研究日益深入，隨著生物信息學(xué)的快速發(fā)展和大量DNA數(shù)據(jù)庫的建立，越來越多的核糖體開關(guān)被發(fā)現(xiàn)，同時也發(fā)表了許多人工合成的RNA適配器[71]。核糖體開關(guān)可以特異性地識別其靶向配體并改變mRNA的構(gòu)象，在轉(zhuǎn)錄或翻譯水平上調(diào)節(jié)基因表達(dá)[72]。合成生物學(xué)家們利用其可與小分子或蛋白特異性結(jié)合的特性，構(gòu)建了一系列可在轉(zhuǎn)錄或翻譯水平上調(diào)控基因表達(dá)的合成基因線路[73-76]。這些RNA調(diào)控裝置作為一個高度合成的裝置[77-78]，可以作為基本框架合成一系列用于調(diào)控細(xì)胞命運(yùn)的配體調(diào)控轉(zhuǎn)錄裝置。此外，引入非天然氨基酸 (nonstandard amino acids，nsAAs) 也是在翻譯水平上調(diào)控的常見方式[79]，相較于傳統(tǒng)的nsAAs引入方法如化學(xué)合成直接摻入法和定點(diǎn)突變法，體外無細(xì)胞表達(dá)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)最大比例的nsAAs摻入，且不傷害細(xì)胞活性，展示出廣闊的應(yīng)用前景[80-82]。

1.3 信號通路水平和翻譯后水平調(diào)控環(huán)路

哺乳動物細(xì)胞在處理、傳遞和響應(yīng)信息并執(zhí)行信息所傳遞的信號通路方面有極大的優(yōu)勢，然而基于轉(zhuǎn)錄因子的感受器的激活劑大部分局限于擴(kuò)散性的小分子，哺乳動物細(xì)胞在處理信號的過程中會涉及到大量的細(xì)胞受體，這些受體可以感受到過量內(nèi)源或外源分子和刺激物。利用這些特征，基于合成生物學(xué)和生物工程學(xué)的技術(shù)和方法，科學(xué)家們通過利用細(xì)胞自身的或者工程化改造后的細(xì)胞受體、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白和下游響應(yīng)元件，從而構(gòu)建組裝具有新功能的虛擬基因網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，讓細(xì)胞執(zhí)行新功能。

細(xì)胞信號通路激活的信號分子有很多，從光等物理信號到氣味、信息素等復(fù)雜大分子，從蛋白、多肽到小分子物質(zhì)，這些胞外信號分子可通過G蛋白偶聯(lián)受體 (G-protein-coupled receptors，GPCRs) 傳遞至胞內(nèi)并引起不同細(xì)胞中的信號通路的激活，執(zhí)行不同的生理功能?；贕PCRs結(jié)構(gòu)和功能上的特點(diǎn)，科學(xué)家們通過對其進(jìn)行工程化的改造使其可以響應(yīng)合成的生物配體，這種工程化的受體被稱為合成配體特異性激活受體 (receptors activated solely by synthetic ligands，RASSL)，即通過對內(nèi)源性的GPCR進(jìn)行合理的工程化改造，使它的結(jié)合域?qū)μ烊慌潴w的親和力下降，而與合成的配體結(jié) 合[83]。然而內(nèi)源的GPCRs通常會對合成配體有較小的親和力，因此這種工程化的受體會缺少特異性[84]，但是藥物特異性激活受體 (designer receptor exclusively activated by designer drugs，DREADD) 技術(shù)成功地解決這個問題，該技術(shù)通過將分子進(jìn)化與活細(xì)胞實(shí)驗(yàn)結(jié)合在一起，設(shè)計(jì)出了誘導(dǎo)物與內(nèi)源GPCRs完全沒有親和力的工程化GPCRs[85]。自從首次報道一種改造后的人M型乙酰膽堿受體可特異性識別一種抗精神失常藥氯氮平后[86]，DREADDs迅速成為研究生物進(jìn)程的重要工具[87]，也逐漸將其應(yīng)用于構(gòu)建各種人工合成基因線路[88-89]。合成生物學(xué)家們通過將可感知信號的GPCRs與相關(guān)的轉(zhuǎn)錄調(diào)控裝置結(jié)合，將這種工具發(fā)展成為可響應(yīng)幾乎所有刺激物的遠(yuǎn)程調(diào)控細(xì)胞裝置。

翻譯后水平調(diào)控裝置的設(shè)計(jì)主要通過利用蛋白與蛋白之間的相互作用以及蛋白的泛素化降解作用，該裝置相對于轉(zhuǎn)錄水平和翻譯水平的調(diào)控具有反應(yīng)速度快的優(yōu)勢，可直接通過刺激物誘導(dǎo)蛋白結(jié)構(gòu)改變，調(diào)控細(xì)胞通路，解決后兩者的調(diào)控延遲效應(yīng)。比如，在腫瘤免疫治療過程中會發(fā)生細(xì)胞因子風(fēng)暴等副作用，這時候就需要終止治療過程?，F(xiàn)已有研究報道通過FK506結(jié)合蛋白 (FK506 binding protein，F(xiàn)KBP12) 與促凋亡蛋白融合表達(dá)，在加入合成藥物AP1903后，F(xiàn)KBP12蛋白二聚化，即凋亡蛋白二聚化，激活下游凋亡信號通路，引起T細(xì)胞凋亡，該系統(tǒng)可以精確調(diào)控工程化的T細(xì)胞迅速凋亡，可作為防止免疫排斥反應(yīng)的安全開關(guān)[90–93]。另一篇研究報道表明，調(diào)控基因工程化嵌合型抗原受體 (chimeric antigen receptor，CAR) 在進(jìn)行腫瘤免疫治療過程中，利用雷帕霉素誘導(dǎo)并結(jié)合的FKBP (FK506 binding protein)和FRB (FKBP-rapamycin binding domain)兩種蛋白去調(diào)控CAR 的表達(dá)，從而實(shí)現(xiàn)對CAR-T細(xì)胞的精確調(diào)控[94](圖1C)。此外，基于蛋白相互作用的翻譯后水平調(diào)控裝置除了雷帕霉素誘導(dǎo)FKBP和FRB結(jié)合的系統(tǒng)外，還有內(nèi)含肽 (intein) 系統(tǒng)[95]、藍(lán)光誘導(dǎo)的Cry2/CIB1系統(tǒng)[39,96]、紫外光誘導(dǎo)的UVR8/UVR8系統(tǒng)[97]以及光誘導(dǎo)的依賴于藻青素的PIF6/PhyB系統(tǒng)[98]等，這些系統(tǒng)可與各種效應(yīng)蛋白如轉(zhuǎn)錄調(diào)控蛋白、翻譯調(diào)控蛋白、離子通道調(diào)控蛋白等相結(jié)合，有效地調(diào)控轉(zhuǎn)基因表達(dá)，應(yīng)用已十分廣泛。

圖1 用于構(gòu)建哺乳動物合成基因線路的工具

1.4 生物信息學(xué)與基因線路

生物信息學(xué)是一門對生物學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理和模擬的學(xué)科，隨著各種基因組測序計(jì)劃的開展和生物技術(shù)的發(fā)展以及計(jì)算機(jī)的普及，大量的生物學(xué)數(shù)據(jù)庫已經(jīng)成功構(gòu)建，這對于合成生物學(xué)的發(fā)展有極大的便利[99]。通過對生物數(shù)據(jù)庫進(jìn)行篩選，可快速獲得用于構(gòu)建基因線 路的目的基因或蛋白，例如，Yang等基于DNA 可通過不可逆的重組酶記錄信號的記憶能力，通過生物信息學(xué)的方法進(jìn)行分析、對比，篩選出34種噬菌體整合酶并構(gòu)建了11種完全正交性的記憶開關(guān)，將這些開關(guān)在大腸桿菌中構(gòu)建、表達(dá)，已被證明可以用于永久記錄轉(zhuǎn)錄過程中的瞬時信息，儲存容量可達(dá)1 375個字節(jié)[100]。另外，通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析、計(jì)算，結(jié)合數(shù)學(xué)邏輯方法構(gòu)建實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，可作為基因線路設(shè)計(jì)的參考，例如，William Bacchus等發(fā)表的細(xì)胞間交流的系統(tǒng)，通過對兩個系統(tǒng)中細(xì)胞的密度、mRNA和蛋白的表達(dá)動力學(xué)以及蛋白與DNA的親和度等進(jìn)行常微分方程 (ordinary differential equations，ODEs) 解析，從而構(gòu)建一個細(xì)胞交流的動力學(xué)模型，再結(jié)合模型參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，大大便利了基因線路的設(shè)計(jì)和構(gòu)建[101]。

2 用于疾病治療的基因線路

在過去的一段時間里，合成生物學(xué)僅僅停留于概念式的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，然而近幾年，更多的合成生物學(xué)家致力于研究設(shè)計(jì)應(yīng)用式的基因線路。在早期的研究中，合成生物學(xué)便產(chǎn)生了一系列簡單的基因表達(dá)系統(tǒng)，如撥動開關(guān)[102]、基因振蕩器[103-105]、計(jì)數(shù)器[106]、計(jì)時器[107]、定時器[108]、模式探測器[109]、過濾器[110]和細(xì)胞通訊系統(tǒng)[111-112]等。然而，這些概念式的表達(dá)系統(tǒng)并不能滿足當(dāng)今社會對醫(yī)藥的需求，因此需要繼續(xù)發(fā)掘合成生物學(xué)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的潛力，近年來構(gòu)建的一系列基因線路已逐漸應(yīng)用于藥物合成[113-114]、藥物篩選[115]等方面，同時一些與疾病治療相關(guān)的基因線路陸續(xù)被設(shè)計(jì)出來，它們可以通過感應(yīng)外界的刺激或機(jī)體內(nèi)的代謝信號，重新編程細(xì)胞行為，從而實(shí)現(xiàn)臨床治療的目的。這些生物感應(yīng)的基因線路一般可分為開環(huán)式和閉環(huán)式控制線路，前者屬于線性的刺激-響應(yīng)系統(tǒng)，后者屬于環(huán)狀的刺激-響應(yīng)-反饋系統(tǒng)[116]。

2.1 開環(huán)式基因線路在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

開環(huán)式的基因線路是屬于線性式的刺激-響應(yīng)系統(tǒng)，因此，按不同的刺激因子可將其分為：1) 化學(xué)物質(zhì)調(diào)控的開環(huán)式基因線路；2) 光調(diào)控的開環(huán)式基因線路；3) 微波調(diào)控的開環(huán)式基因線路；4) 磁調(diào)控的開環(huán)式基因線路 (圖2)。

2.1.1 化學(xué)物質(zhì)調(diào)控的開環(huán)式基因線路

四環(huán)素[12,117-118]、大環(huán)內(nèi)脂類抗生素[119]、鏈陽菌素[117,120]響應(yīng)的基因線路是早期經(jīng)典的化學(xué)物質(zhì)調(diào)控系統(tǒng)。但由于這些基因線路是由一些會對人體產(chǎn)生副作用的抗生素物質(zhì)誘導(dǎo)調(diào)控的，極大地限制了其應(yīng)用范圍。最近，一些新的健康安全的小分子物質(zhì)調(diào)控的基因線路被陸續(xù)開發(fā)出來，如維生素[121]、氨基酸[122]、根皮素[123]、食品添加劑香草酸[124]、苯甲酸[125]和沐浴乳成分對羥基苯甲酸酯[126]和中藥成分齊墩果酸[127]等誘導(dǎo)的基因線路。這些安全的基因線路有效地促進(jìn)了哺乳動物合成生物學(xué)在疾病治療中的應(yīng)用。例如利用降血壓藥物胍那苯治療代謝綜合征[128]。在該環(huán)路中，胍那苯通過刺激嵌合型痕胺受體 (cTAAR1)，活化G蛋白，進(jìn)一步激活膜上的腺苷環(huán)化酶，將ATP轉(zhuǎn)變?yōu)閏AMP；胞內(nèi)的cAMP進(jìn)一步激活蛋白激酶A，使活化的蛋白激酶A入核，cAMP反應(yīng)結(jié)合蛋白1 (CREB1) 磷酸化，進(jìn)而激活人工合成響應(yīng)cAMP的啟動子 (PCRE)，啟動表達(dá)胰高血糖素樣肽-1和瘦素 (Leptin) 的融合蛋白，實(shí)現(xiàn)在治療高血壓的同時治療高血糖和肥胖，達(dá)到“三合一”的治療效果 (圖2A)。

2.1.2 光調(diào)控的開環(huán)式基因線路

相比于化學(xué)物質(zhì)調(diào)控系統(tǒng)，光控的基因線路具有高度的時空特異性、便捷性等優(yōu)勢，因此越來越受到人們的關(guān)注。據(jù)研究報道，目前合成生物學(xué)家已開發(fā)出由藍(lán)光、紅光、紫外光以及遠(yuǎn)紅光誘導(dǎo)的基因線路，包括光受體視黑素系統(tǒng)[129]、LOV系統(tǒng)[130-131]、CRY2/CIB1系 統(tǒng)[132]、植物光敏素系統(tǒng)[133-134]、隱花色素[135-136]和細(xì)菌光敏色素系統(tǒng)[137]等。這些光控的基因線路在疾病治療上具有極大的應(yīng)用前景：1) 視黑素藍(lán)光系統(tǒng)治療Ⅱ型糖尿病[129]；2) LOV藍(lán)光系統(tǒng)治療Ⅰ型糖尿病[138]；3) Opto-CRAC近紅外光系統(tǒng)治療腫瘤[139]等。此外，光控的基因線路可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制內(nèi)源基因的激活、刪除和插 入[140-142]，這為將來實(shí)現(xiàn)基因、細(xì)胞水平治療提供理論和實(shí)踐基礎(chǔ) (圖2B)。

2.1.3 微波調(diào)控的開環(huán)式基因線路

相比于光，微波具有更強(qiáng)的穿透性，這使微波調(diào)控的基因線路在臨床治療上更具優(yōu)勢?，F(xiàn)有研究報道一種微波調(diào)控的基因線路可用于糖尿病治療[143]。該基因線路中的微波感受裝置是一種與生物磁珠相結(jié)合的溫度敏感型的離子通道蛋白TRPV1，該蛋白在外界溫度升高 (不超過42 ℃) 時可被激活，引起鈣離子內(nèi)流，激活下游信號通路。因此，該基因線路在微波輻照下，TRPV1上的生物納米磁珠產(chǎn)生磁熱效應(yīng)并釋放熱量，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)局部溫度升高，從而激活TRPV1，引起鈣離子內(nèi)流，打開NFAT信號通路，從而啟動胰島素的表達(dá)，調(diào)節(jié)體內(nèi)葡萄糖穩(wěn)態(tài)。此外，該微波調(diào)控的基因線路中由于存在加入納米磁珠材料的安全問題，因此科學(xué)家對其環(huán)路作了進(jìn)一步的優(yōu)化：1) 強(qiáng)表達(dá)鐵蛋白 (Ferritin)，鐵蛋白不僅是機(jī)體貯存鐵的一種可溶性蛋白，而且當(dāng)24個鐵蛋白亞基聚合成一個12 nm的聚合物時，該聚合物同樣可在低頻微波或磁場作用下產(chǎn)熱，從而實(shí)現(xiàn)了無侵入、安全的遠(yuǎn)程基因調(diào)控方式；2) 通過將鐵蛋白與GFP融合表達(dá)，并結(jié)合到被抗GFP抗體修飾的TRPV1上，從而使鐵蛋白聚合物定位至細(xì)胞膜上，使得該系統(tǒng)的靈敏度增強(qiáng)，更加有效地遠(yuǎn)程調(diào)控小鼠體內(nèi)的葡萄糖穩(wěn)態(tài)[144-145](圖2C)。

2.1.4 磁調(diào)控的開環(huán)式基因線路

光遺傳學(xué)和化學(xué)遺傳學(xué)作為研究工具已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于神經(jīng)行為研究領(lǐng)域，然而這兩種研究方法的刺激方式都是植入式的，會對實(shí)驗(yàn)動物產(chǎn)生巨大傷害，同時也會降低神經(jīng)反應(yīng)速度，因此，亟需進(jìn)行磁遺傳學(xué)的研究。2015年Wheeler等發(fā)現(xiàn)磁場遠(yuǎn)程可以調(diào)控神經(jīng)系統(tǒng)將可感受力的瞬時感受器電位通道V型成員4受體 (transient receptor potential cation channel subfamily V member 4，TRPV4) 與Ferritin融合表達(dá)，該融合蛋白可使強(qiáng)表達(dá)的Ferritin與其結(jié)合，從而使磁蛋白復(fù)合體定位至細(xì)胞膜上，當(dāng)磁場存在時，磁蛋白可感受磁場變化，產(chǎn)生拉力，激活TRPV4，打開鈣離子通道，引起膜電位的變化，從而實(shí)現(xiàn)磁場調(diào)控神經(jīng)系統(tǒng)的目的。將磁控系統(tǒng)用于神經(jīng)學(xué)研究具有無侵入性、遠(yuǎn)程調(diào)控、更加安全的優(yōu)勢，相信未來該系統(tǒng)在其他疾病治療方面也會展現(xiàn)其優(yōu)越性[146](圖2D)。

2.2 自我診斷及治療的閉環(huán)式基因線路在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

不同于開環(huán)式基因線路，閉環(huán)式的基因環(huán)路是通過識別機(jī)體內(nèi)的代謝物質(zhì)，重新編程細(xì)胞內(nèi)部的代謝活動，同時還具備反饋調(diào)節(jié)機(jī)制，從而實(shí)現(xiàn)監(jiān)測-治療的雙重功效。因此，越來越多的閉環(huán)式基因環(huán)路被用于疾病的診斷和治療，如尿酸感受器用于治療痛風(fēng)[147]、脂肪酸感受器用于治療肥胖[148]、甲狀腺激素感受器用于治療甲 亢[150]、細(xì)胞因子交換器用于治療銀屑病[152]、以及胰島素感受器用于治療Ⅱ型糖尿病[153](圖3)。

2.2.1 治療痛風(fēng)的閉環(huán)式基因環(huán)路

尿酸是哺乳動物嘌呤代謝的終端物質(zhì)，若體內(nèi)尿酸水平過高，則會引發(fā)痛風(fēng)癥。現(xiàn)有一種人工合成的尿酸傳感器，它能將體內(nèi)尿酸水平維持在正常范圍內(nèi)，從而緩解痛風(fēng)癥狀[147]。該尿酸傳感器的感受裝置是由KRAB和含有尿酸配體結(jié)合域的轉(zhuǎn)錄因子HucR融合表達(dá)形成，其應(yīng)答裝置則是由尿酸誘導(dǎo)型的啟動子和尿酸氧化酶 (urate oxidase) 組成。尿酸誘導(dǎo)型的啟動子是由SV40強(qiáng)啟動子3'端和HucR結(jié)合的操縱子位點(diǎn)(hucO)組成。當(dāng)尿酸濃度處于極低狀態(tài)，KRAB-HucR結(jié)合至操縱子位點(diǎn) (hucO) 上，阻遏下游基因的表達(dá)；而當(dāng)尿酸水平處于過高狀態(tài)，尿酸分子主動與HucR結(jié)合，使轉(zhuǎn)錄抑制子從操縱子上解離下來，啟動表達(dá)尿酸氧化酶，清除尿酸并使其恢復(fù)至正常濃度范圍內(nèi)。這種閉環(huán)式的基因環(huán)路利用尿酸反饋機(jī)制，不僅能實(shí)時監(jiān)測尿酸濃度的變化，并且能及時對其作出反應(yīng)，可以將機(jī)體內(nèi)的尿酸水平維持在正常的生理范圍內(nèi)，進(jìn)而改善痛風(fēng)的病癥 (圖3A)。

圖2 開環(huán)式調(diào)控的基因線路

2.2.2 治療肥胖的閉環(huán)式基因環(huán)路

人體能量過剩，脂肪囤積則會引發(fā)肥胖。體內(nèi)脂肪酸的含量是衡量過食性肥胖的重要指標(biāo)之一?，F(xiàn)有一種人工合成的脂肪酸傳感器，它能通過監(jiān)測血液中脂肪酸的含量，定量表達(dá)能抑制食欲的短肽——普蘭林肽 (pramlintide)，從而達(dá)到治療肥胖的目的[148]。該脂肪酸傳感器中的脂質(zhì)感應(yīng)受體 (lipid-sensing receptor，LSR) 是由轉(zhuǎn)錄抑制子TtgR與過氧化物酶增生物激活受體 (peroxisome proliferator-activated receptorα，PPARα) 融合表達(dá)形成。這種閉環(huán)式的反饋機(jī)制主要是利用脂質(zhì)感應(yīng)受體中的PPARα，根據(jù)脂肪酸的含量分別招募共阻遏因子或共激活因子，進(jìn)而關(guān)閉或啟動目的基因的表達(dá)。此外，在系統(tǒng)中加入根皮素，可使轉(zhuǎn)錄抑制子TtgR從其結(jié)合位點(diǎn)上解離下來，從而關(guān)閉整個環(huán)路的運(yùn)行，確保環(huán)路的安全性 (圖3B)。

2.2.3 治療甲亢的閉環(huán)式基因環(huán)路

甲亢是一種由體內(nèi)甲狀腺激素過量引起的甲狀腺機(jī)能亢進(jìn)的自身免疫性疾病。自身抗體通過刺激甲狀腺中的促甲狀腺激素受體使機(jī)體分泌甲狀腺激素，從而使控制其分泌的下丘腦-腦垂體-甲狀腺反饋機(jī)制發(fā)生紊亂[149]。現(xiàn)有人工合成的甲狀腺激素傳感器，它能監(jiān)測體內(nèi)甲狀腺激素的含量，同時通過表達(dá)促甲狀腺激素受體拮抗劑來維持體內(nèi)甲狀腺激素的穩(wěn)態(tài)[150]。在甲狀腺激素不存在時，甲狀腺傳感器中的甲狀腺激素受體招募轉(zhuǎn)錄共阻遏子，關(guān)閉目的基因的表達(dá)，但當(dāng)甲狀腺激素存在時，甲狀腺激素受體招募轉(zhuǎn)錄共激活子，啟動表達(dá)促甲狀腺激素受體拮抗劑，阻礙自身抗體與促甲狀腺激素受體的結(jié)合，進(jìn)而改善甲亢的病癥 (圖3C)。

2.2.4 治療銀屑病的閉環(huán)式基因環(huán)路

銀屑病是一種慢性炎癥皮膚病，并具有病程長、易復(fù)發(fā)的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的藥物治療往往不能達(dá)到根除的效果[151]。銀屑病發(fā)生時，腫瘤壞死因子和白介素22的表達(dá)量處于“上調(diào)”狀態(tài)。因此，這兩種細(xì)胞因子可作為銀屑病發(fā)生時的特異性生物標(biāo)記物?，F(xiàn)有一種人工合成的細(xì)胞因子交換器，它能將上述兩種促炎癥細(xì)胞因子轉(zhuǎn)換輸出白介素4、白介素10的抗炎癥因子，從而緩解病癥[152]。該轉(zhuǎn)換器是通過一個“AND”邏輯門實(shí)現(xiàn)細(xì)胞因子之間的轉(zhuǎn)換。當(dāng)TNF作用于人工合成的腫瘤壞死因子受體 (TNFR)，激活NF-κB信號通路，啟動表達(dá)白介素22受體α (hIL22RA)。同時，hIL22RA與細(xì)胞內(nèi)源表達(dá)的白介素10受體β (hIL10RB) 異二聚化組裝成白介素22受體，能識別IL22，激活JAK-STAT信號通路，啟動IL4和IL10的表達(dá)。因此，在該閉環(huán)式傳感器中，只有TNF和IL22同時存在時，系統(tǒng)才能輸出雙因子信號，進(jìn)而提高系統(tǒng)的特異性 (圖3D)。

3 哺乳動物合成生物學(xué)走向臨床研究的方法手段

隨著哺乳動物合成生物學(xué)的發(fā)展，更多人工合成的治療系統(tǒng)被陸續(xù)開發(fā)出來，然而這些系統(tǒng)在臨床應(yīng)用中仍面臨以下4個挑戰(zhàn)：1) 運(yùn)輸效率；2) 系統(tǒng)在病人體內(nèi)的持久性；3) 臨床療效；4) 免疫學(xué)特性。最新研究報道自體干細(xì)胞療法雖可部分解決上述臨床治療問題，但由于自體干細(xì)胞的不易獲取性很大程度上限制了它的應(yīng)用范圍。因此，開發(fā)一種安全、有效的治療輸送系統(tǒng)是目前哺乳動物合成生物學(xué)走向臨床應(yīng)用亟待解決的問題。本節(jié)將主要介紹一些新型的輸送方式以及各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

圖3 閉環(huán)式調(diào)控的基因環(huán)路

3.1 細(xì)胞膠囊化

若將外源細(xì)胞直接注入機(jī)體內(nèi)會引起體內(nèi)的免疫反應(yīng)并對其進(jìn)行清除。因此，如何使植入的異源細(xì)胞避開體內(nèi)免疫系統(tǒng)的攻擊是目前細(xì)胞治療的難題之一[154]。近年來，合成生物學(xué)家成功找到一種新的細(xì)胞輸送方式——細(xì)胞膠囊化。這類包裹細(xì)胞的膠囊是由海藻酸-聚- L-賴氨酸-海藻酸組成的半透膜，它不僅可以阻止免疫球蛋白分子和免疫活性細(xì)胞的進(jìn)入，而且還能允許機(jī)體內(nèi)的養(yǎng)分、氧氣等自由交換[155-156]。這種半封閉式的膠囊系統(tǒng)不僅可以使植入的治療細(xì)胞免受免疫系統(tǒng)的清除，而且還可通過保證治療細(xì)胞與機(jī)體之間的交流來提高細(xì)胞的活力。但是，一些海藻酸鈉聚合物的拉伸強(qiáng)度低，植入細(xì)胞的壽命等問題都會影響膠囊化細(xì)胞的長期治療效果[154,157-158]。盡管細(xì)胞膠囊化的輸送方式有待改善，但目前仍是一個經(jīng)濟(jì)有效的手段。

3.2 病毒輸送載體

病毒輸送載體需要將治療系統(tǒng)整合至宿主基因組內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)長期有效的治療目的。理想的病毒輸送載體需要滿足以下幾個條件：1) 具備有效的基因轉(zhuǎn)移能力；2) 無免疫副作用；3) 病毒基因無法復(fù)制、以保證生物安全。目前使用最廣泛的病毒載體包括逆轉(zhuǎn)錄病毒、腺病毒和腺相關(guān)病毒。

逆轉(zhuǎn)錄病毒是一類正鏈RNA病毒，是可將外源基因整合至基因組內(nèi)并使其得以長期穩(wěn)定的表達(dá)。目前最常見的逆轉(zhuǎn)錄病毒載體是人類免疫缺陷病毒-1 (HIV-1) 來源的病毒載體——慢病毒載體[159]。攜帶治療系統(tǒng)的慢病毒載體在體外包裝成有感染力的病毒顆粒，通過感染機(jī)體組織將系統(tǒng)整合至機(jī)體內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)長期穩(wěn)定的運(yùn)作。雖然慢病毒載體具有基因表達(dá)持久、穩(wěn)定，感染效率高等優(yōu)點(diǎn)，但是載體容量小，與宿主基因組隨機(jī)整合方式可引起基因突變等問題仍有待解決。

腺病毒是一類DNA病毒，其基因組不整合至宿主細(xì)胞的基因組中，始終游離在染色體外。最初的腺病毒載體Ad2和Ad5因基因轉(zhuǎn)移效率高、宿主范圍廣而備受矚目。這兩種經(jīng)典的腺病毒載體通過一系列改造后產(chǎn)生了4代不同的載體，第2、3代的腺病毒載體在去除E1、E3、E4編碼序列后，相比于第1代，具有更大的載體容量和更低的免疫原性[160]。第4代病毒載體僅保留反向末端重復(fù)序列ITR和包裝信號序列，載體容量可達(dá)37 kb，并進(jìn)一步降低了免疫原性。盡管腺病毒載體具有基因轉(zhuǎn)移效率高、宿主范圍廣、易制備、較安全等優(yōu)勢，但仍存在靶向性差、轉(zhuǎn)基因表達(dá)時間短的問題[161]。

腺相關(guān)病毒是一類目前結(jié)構(gòu)最為簡單的單鏈DNA缺陷病毒，只有在輔助病毒 (腺病毒、單純皰疹病毒、痘苗病毒) 的參與下才能進(jìn)行復(fù)制。腺相關(guān)病毒的基因組包括兩個末端的反向重復(fù)序列 (ITR) 和編碼蛋白cap、rep的基因序列。鑒于腺相關(guān)病毒的感染效率高、安全性好、自身免疫原性低及具有定點(diǎn)整合功能[162]，現(xiàn)已被用于抗腫瘤免疫基因治療、腫瘤血管新生治療等。然而，由于腺相關(guān)病毒的結(jié)構(gòu)較為簡單，其上載容量小，上限是5 kb左右，限制了其進(jìn)一步的臨床應(yīng)用。

3.3 其他輸送載體

上述常見的病毒輸送載體可實(shí)現(xiàn)治療基因的轉(zhuǎn)移，但由于存在潛在免疫原、插入突變、特異性和上載容量等問題限制其應(yīng)用范圍。近年來，科學(xué)家陸續(xù)找到一些新的基因轉(zhuǎn)移載體，包括1-型單純皰疹病毒載體、桿狀病毒載體、陽離子聚合物和脂質(zhì)載體等。其中，1-型單純皰疹病毒和桿狀病毒載體具有更大的上載容量，容量可達(dá)到150 kb左右。此外，陽離子聚合物和脂質(zhì)的材料載體能將RNA和環(huán)狀DNA分子包裹成納米顆粒進(jìn)行運(yùn)送，但同時存在輸送效率、免疫原性和不能長期表達(dá)等局限性[163]。

4 總結(jié)與展望

隨著合成生物學(xué)的發(fā)展，哺乳動物細(xì)胞內(nèi)調(diào)控系統(tǒng)的構(gòu)建已完成以下幾大轉(zhuǎn)變：1) 從概念式的系統(tǒng)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)楹铣筛哚t(yī)用價值的環(huán)路；2) 從化學(xué)分子調(diào)控轉(zhuǎn)變?yōu)闊o蹤跡的光、微波和磁場調(diào)控；3) 從時間上的調(diào)控轉(zhuǎn)變?yōu)闀r間和空間的調(diào)控；4) 從線性化的開環(huán)式調(diào)控轉(zhuǎn)變?yōu)榛仞伿降拈]環(huán)式調(diào)控等。這些復(fù)雜化、綜合化、多元化的調(diào)控系統(tǒng)為合成生物學(xué)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。

近年來，哺乳動物合成生物學(xué)在臨床上的應(yīng)用已經(jīng)有了很大的發(fā)展，也為以前無法治愈的疾病提供了新穎的治療策略，但同時也存在許多局限性和問題，如合成生物學(xué)的倫理性、安全性和有效性問題。然而隨著科技的進(jìn)步與發(fā)展，這些問題也逐步被解決，例如，第1代的基因與細(xì)胞治療在臨床上遭受了很大的挫折，然而隨著病毒載體和合成生物學(xué)調(diào)控裝置的深入研究，新一代的基因與細(xì)胞治療的安全性和有效性有了很大的提高，在臨床上的應(yīng)用也有很大的進(jìn)展；現(xiàn)有的細(xì)胞治療需培養(yǎng)易從體內(nèi)分離得到的細(xì)胞再將其植回患者體內(nèi)，這種線性式治療有很大的局限性，而新興的干細(xì)胞療法和基因重編輯技術(shù)的應(yīng)用則可以解決這一問題。

隨著合成調(diào)控裝置的優(yōu)化改進(jìn)及其實(shí)際應(yīng)用性的提高，未來將會有更多的合成生物學(xué)設(shè)計(jì)理念被用于基因與細(xì)胞治療，如通過調(diào)控內(nèi)源的控制元件來長期控制、調(diào)節(jié)相關(guān)基因的表達(dá)，或者通過植入閉環(huán)式的調(diào)控裝置，使其能夠感知患者自身的相關(guān)信號從而調(diào)控基因表達(dá)，釋放合理的治療藥物以滿足患者的需求。我們堅(jiān)信，隨著科技的進(jìn)步及人類社會的發(fā)展，合成生物學(xué)將會展示其更大的價值和意義。

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(本文責(zé)編 陳宏宇)

葉海峰 華東師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，研究員，博士生導(dǎo)師。主要從事合成生物學(xué)與生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域研究。相關(guān)研究成果發(fā)表在、、、、、等雜志。2013年獲瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工大學(xué)榮譽(yù)獎?wù)隆癊TH Silver Medal”。2014年入選國家中央組織部第11批“青年千人計(jì)劃”。2015年獲得國家自然科學(xué)基金“優(yōu)秀青年基金”資助。目前參與國家科技部重大專項(xiàng)子課題1項(xiàng)、主持國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目2項(xiàng)、上海市科委基礎(chǔ)研究重點(diǎn)項(xiàng)目1項(xiàng)、上海市科技啟明星項(xiàng)目1項(xiàng)。申請發(fā)明專利6項(xiàng)。先后擔(dān)任、、等學(xué)術(shù)期刊審稿人。

Research progress of mammalian synthetic biology in biomedical field

Linfeng Yang, Jianli Yin, Meiyan Wang, and Haifeng Ye

Shanghai Key Laboratory of Regulatory Biology, School of Life Sciences, East China Normal University, Shanghai 200241, China

Although still in its infant stage, synthetic biology has achieved remarkable development and progress during the past decade. Synthetic biology applies engineering principles to design and construct gene circuits uploaded into living cells or organisms to perform novel or improved functions, and it has been widely used in many fields. In this review, we describe the recent advances of mammalian synthetic biology for the treatment of diseases. We introduce common tools and design principles of synthetic gene circuits, and then we demonstrate open-loop gene circuits induced by different trigger molecules used in disease diagnosis and close-loop gene circuits used for biomedical applications. Finally, we discuss the perspectives and potential challenges of synthetic biology for clinical applications.

synthetic biology, synthetic gene circuits, gene-based therapy, cell-based therapy

November 7, 2016; Accepted:January 6, 2017

Haifeng Ye. Tel: +86-21-54341058; E-mail: hfye@bio.ecnu.edu.cn

Supported by:National Key Research and Development Program of China, Stem Cell and Translational Research (No. 2016YFA0100300), National Natural Science Foundation of China (Nos. 31470834, 31522017, 31670869), Science and Technology Commission of Shanghai Municipality (Nos. 15QA1401500, 14JC1401700), Thousand Youth Talents Plan.

國家重大研究計(jì)劃 (No. 2016YFA0100300)，國家自然科學(xué)基金 (Nos. 31470834, 31522017, 31670869)，上海市科委 (Nos. 15QA1401500, 14JC1401700)，青年千人計(jì)劃資助。

2017-01-17

http://www.cnki.net/kcms/detail/11.1998.Q.20170117.0853.002.html