通過合成生物學(xué)和工程學(xué)思想，可以實現(xiàn)對細胞有目的的設(shè)計、改造和重編程。裝載有可控基因線路的人工定制細胞，就像一個智能的“細胞藥物工廠”，通常情況下處于休眠狀態(tài)，當接收到外界指令，如小分子藥物、疾病標志物或光信號時，定制細胞會對其進行處理和計算，以可預(yù)測及精準可控的方式生產(chǎn)并釋放蛋白藥物。
然而，現(xiàn)有的人工定制細胞對外界指令的響應(yīng)和處理緩慢，對治療蛋白的表達和釋放大部分都局限于轉(zhuǎn)錄或翻譯水平的調(diào)控，無法實現(xiàn)對目標蛋白的可控快速釋放。緩慢的響應(yīng)速度帶來了兩個方面的問題：1)不符合部分細胞需要迅速釋放蛋白質(zhì)的要求。生理狀態(tài)下，許多細胞對外界生理信號的響應(yīng)十分迅速，如胰島細胞感受血糖升高釋放胰島素；2)不適用于治療有即時用藥需求的疾病如哮喘、急性心梗、心絞痛等。
? 2023年10月23日，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)重點實驗室、醫(yī)學(xué)合成生物學(xué)研究中心葉海峰團隊在?Nature Chemical Biology?期刊發(fā)表了題為：A?programmable protease-based protein secretion platform for therapeutic applications?的研究長文。該研究開發(fā)了精準可控的蛋白質(zhì)快速釋放系統(tǒng)——PASS，通過直接調(diào)控蛋白質(zhì)的釋放而不是轉(zhuǎn)錄表達，實現(xiàn)了對治療蛋白分鐘級別的可控釋放。
PASS系統(tǒng)的設(shè)計靈感來自于蛋白質(zhì)的釋放和分選原理。經(jīng)典的蛋白質(zhì)釋放路徑需要經(jīng)過基因轉(zhuǎn)錄、剪接、翻譯、加工等步驟最后釋放到細胞膜外。然而，有一類蛋白質(zhì) (如內(nèi)質(zhì)網(wǎng)功能蛋白) 經(jīng)過高爾基體加工后并不會釋放到細胞外，而是被膜衣蛋白復(fù)合體COP1的識別，重新運輸回收定位到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上，行使相應(yīng)的生物學(xué)功能，該過程依賴于由四個氨基酸組成的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)回收信號（-KKXX-COOH，其中X表示任意氨基酸）。
根據(jù)上述原理，葉海峰團隊研究人員將內(nèi)質(zhì)網(wǎng)回收信號KKXX融合表達在分泌蛋白的羰基末端，使目的蛋白提前翻譯好，錨定儲存在細胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中，以備用時之需。他們在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)回收信號和目的蛋白之間融合了一段可以被蛋白酶識別的肽鏈，當其被蛋白酶水解切除時，錨定在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的治療蛋白就會迅速釋放到細胞外。研究人員通過化學(xué)小分子藥物、腫瘤抗原以及光來控制蛋白水解酶活性，分別開發(fā)了三種精準可控的蛋白質(zhì)快速釋放系統(tǒng)：chemPASS、antigenPASS和optoPASS。
? 首先，他們通過小分子誘導(dǎo)的異源蛋白二聚系統(tǒng)來調(diào)控分裂版煙草蝕斑病毒蛋白酶split-TEVp的活性，開發(fā)了三種安全無毒的小分子調(diào)控的蛋白質(zhì)快速釋放系統(tǒng)—chemPASS。他們將裝載有chemPASS基因線路的定制細胞移植到糖尿病小鼠體內(nèi)，當小鼠口服臨床批準的抗病毒藥物danoprevir后，僅需30分鐘就可有效誘導(dǎo)胰島素的釋放，實現(xiàn)快速降血糖效果。
接著，結(jié)合腫瘤免疫療法設(shè)計理念，研究人員開發(fā)了腫瘤抗原激活的殺傷蛋白釋放系統(tǒng)——antigenPASS。他們將TEVp蛋白酶通過synNotch (synthetic Notch) 受體錨定在細胞膜上，當細胞識別腫瘤抗原后，TEVp從細胞膜脫落，從而誘導(dǎo)儲存在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的蛋白質(zhì)快速釋放。實驗證明，裝載有antigenPASS的免疫T細胞可精準識別腫瘤細胞，快速釋放殺傷蛋白（顆粒酶、穿孔素），從而有效殺死腫瘤細胞 。
最后，研究人員通過Magnets藍光誘導(dǎo)的二聚化系統(tǒng)來調(diào)控分裂版煙草脈斑駁病毒蛋白酶split-TVMVp的活性，在PASS系統(tǒng)的基礎(chǔ)上設(shè)計構(gòu)建了光調(diào)控的蛋白質(zhì)快速釋放系統(tǒng)—optoPASS，實現(xiàn)了遠程無痕、高度時空特異調(diào)控的蛋白質(zhì)快速釋放。只需要一束光，就可以誘導(dǎo)裝載有optoPASS基因線路的人工定制細胞快速釋放降壓肽、降糖肽、止疼肽。實驗證明，光照15分鐘即可在糖尿病、高血壓、疼痛模型小鼠體內(nèi)發(fā)揮降血糖、降血壓以及鎮(zhèn)痛的效果。
綜上，該研究開發(fā)的PASS系統(tǒng)具有靈活可變、快速處理外界指令，并在分鐘級別釋放蛋白藥物的特點，為精準可控的基因治療和細胞治療提供了全新的控制遺傳學(xué)系統(tǒng)。