吃塊餅干，就能降血糖。這并非天方夜譚，日前，中國科學(xué)家讓小鼠服用“非天然氨基酸成分的餅干”，即可在 90 分鐘內(nèi)實現(xiàn)降血糖。

圖 | 非天然氨基酸餅干（來源：Nature Chemical Biology）

餅干的主要成分是小鼠飼料，同時還添加了非天然氨基酸，借此可讓糖尿病小鼠的血糖得到控制。

11 月 16 日，相關(guān)論文以《用于治療小鼠糖尿病的基于遺傳密碼擴展的細胞療法》（Genetic-code-expanded cell-based therapy for treating diabetes in mice）為題發(fā)表在Nature Chemical Biology上[1]。

圖 | 相關(guān)論文（來源：Nature Chemical Biology）

該研究由北京大學(xué)藥學(xué)院劉濤教授、聯(lián)合華東師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院葉海峰教授團隊合作完成，餅干能有如此功效，是因為他們研發(fā)出一款非天然氨基酸調(diào)控的胰島素細胞治療系統(tǒng)。

圖 | 研究團隊的主要成員：左起黃雨佳、劉濤、陳超、葉海峰研（來源：北大藥學(xué)院）

相關(guān)實驗表明，該系統(tǒng)在翻譯水平上可對蛋白質(zhì)表達進行快速調(diào)控。該成果的誕生，也讓蛋白調(diào)控開關(guān)工具庫添加“新武器”，基因密碼子（codon）擴展技術(shù)的相關(guān)應(yīng)用也迎來了新思路。

圖 | 非天然氨基酸調(diào)控的胰島素細胞治療系統(tǒng)的開關(guān)調(diào)控方式（來源：Nature Chemical Biology）

當(dāng)前迫切需要研發(fā)快速蛋白表達調(diào)控系統(tǒng)

很多糖尿病患者為了控制血糖，不得不長期注射胰島素，這一過程往往比較痛苦。如何只通過口服藥就能實現(xiàn)控制血糖？是科學(xué)家們一直在研究的課題。

圖 | 胰島素注射器（來源：Pixabay）

近年來，合成生物學(xué)飛速進步，借助它所研發(fā)的細胞治療系統(tǒng)，在疾病治療上具備較好潛力。這類細胞治療的原理一般是把藥物蛋白表達的調(diào)控開關(guān)安裝在細胞中。當(dāng)出現(xiàn)外源刺激信號時，細胞即可進行調(diào)控，并能把藥物蛋白釋放出來。

當(dāng)細胞治療用于糖尿病治療時，借助口服小分子藥物，即可形成外源刺激信號，進而對胰島素表達進行控制，這時患者就有希望告別胰島素注射之痛。

此前的難題在于，就轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控設(shè)計來說，它依然是多數(shù)藥物蛋白調(diào)控開關(guān)的設(shè)計思路，這意味著轉(zhuǎn)錄因子必須先得到外源刺激信號的刺激，再將藥物蛋白進行基因轉(zhuǎn)錄，然后再加工成 mRNA，直到這時藥物蛋白才可被翻譯出來。

一言以蔽之，上述調(diào)控過程不僅復(fù)雜，蛋白表達時間也很緩慢，因此細胞治療較難用于糖尿病治療。鑒于此，非常有必要研發(fā)出快速的蛋白表達調(diào)控系統(tǒng)。

（來源：Nature Chemical Biology）

給小鼠吃塊非天然氨基酸餅干

借助合成生物學(xué)技術(shù)，該團隊開發(fā)出一種新型工程細胞，當(dāng)給糖尿病小鼠植入該細胞，然后再食用氨基酸餅干。大約一個半小時之后，小鼠體內(nèi)胰島素水平即可被提高，最終實現(xiàn)降糖作用，起效時間上和注射胰島素不相上下。據(jù)悉，這也是基因密碼擴展技術(shù)第一次用于細胞治療。

不過，餅干只是小鼠體內(nèi)產(chǎn)生胰島素的載體，其背后有一座“小工廠”在產(chǎn)生胰島素。作為一種人體蛋白，胰島素只有被精準(zhǔn)控制，血糖水平才能隨之得到良好調(diào)控。一旦高了就會發(fā)生低血糖，低了則會發(fā)生其他危害。

這時，非天然氨基酸調(diào)控的胰島素細胞治療系統(tǒng)即可派上用場，其原理在于采用人造密碼子。由于自然界存在三個不編碼氨基酸的密碼子，因此借助相應(yīng)的人為干預(yù)，即可讓某個密碼子“聽懂”氨基酸餅干的指令。

盡管在自然界中并不存在餅干里的特殊氨基酸。但是，密碼子被改造之后，“搖身一變”立馬就能擁有雙重身份。當(dāng)人工氨基酸出場時，密碼子就會開啟配對模式，進而啟動胰島素的翻譯；當(dāng)人工氨基酸離場時，密碼子就會關(guān)閉整個流水線，這便是用餅干合成胰島素的全流程。

也就是說，該團隊使用合成生物學(xué)給餅干“挖”了一條路，借助氨?；纳磻?yīng)，可將特定的轉(zhuǎn)運 RNA 和非天然氨基酸連接起來，餅干會被送到胰島素裝配生產(chǎn)線上。就這樣，本身是餅干里的非天然氨基酸，竟能成為生物體內(nèi)胰島素的重要組成部分。

上述過程也叫“生物正交”，指的是機體內(nèi)源的元件即無法識別人造反應(yīng)，也無法干擾內(nèi)源的生化過程。在其他生命活動正常進行的情況下，胰島素的制造過程也能如常進行。具體來說，只要非天然氨基酸達到納摩爾每升級別濃度，當(dāng)小鼠得到 1 分鐘給藥，控制系統(tǒng)就可被激活，隨后即可釋放胰島素 。

如果你經(jīng)常喝功能性飲料，就會發(fā)現(xiàn)其成分表中會有類似的非天然氨基酸，它對人體十分友好。研究中，劉濤等人在小鼠皮下植入工程細胞材料包，再讓它食用餅干，小鼠血糖可在一月之內(nèi)得到有效且穩(wěn)定的降低。

（來源：Nature Chemical Biology）

與此同時，當(dāng)小鼠在一月之內(nèi)連續(xù)服用有效劑量的非天然氨基酸之后，體重或其它生化指標(biāo)并未出現(xiàn)明顯改變。

“進化”之后的基因密碼子擴展技術(shù)

一直以來，蛋白質(zhì)的定點修飾，是基因密碼子擴展技術(shù)的最重要應(yīng)用。基于該團隊在蛋白質(zhì)翻譯機制上的積累，他們建立了這項藥物蛋白調(diào)控系統(tǒng)，并在蛋白質(zhì)翻譯水平上實現(xiàn)調(diào)控。

“進化”之后的基因密碼子擴展技術(shù)，可識別非天然氨基酸的氨酰轉(zhuǎn)運 RNA 合成酶和轉(zhuǎn)運 RNA 分子對，在翻譯含有異位琥珀密碼子的 mRNA 時，非天然氨基酸即可被插入蛋白質(zhì)。

當(dāng)把含有異位琥珀密碼子的藥物蛋白基因、氨酰轉(zhuǎn)運 RNA 合成酶、以及轉(zhuǎn)運 RNA 分子對植入小鼠細胞基因組中，即可構(gòu)建出非天然氨基酸調(diào)控的胰島素細胞治療系統(tǒng)的細胞系。

對比來說，當(dāng)處于普通培養(yǎng)基時，由于缺乏非天然氨基酸，當(dāng)系統(tǒng)細胞的核糖體翻譯到異位琥珀密碼子時，就會被迫終止。當(dāng)處于含有非天然氨基酸的培養(yǎng)基中，系統(tǒng)細胞即可利用非天然氨基酸來翻譯藥物蛋白。

該系統(tǒng)的優(yōu)點在于，它所激活的蛋白表達，對非天然氨基酸呈現(xiàn)出較強的可逆調(diào)控和濃度依賴。細胞和非天然氨基酸只需接觸 60 秒，系統(tǒng)即可被激活，效率之快遠超過傳統(tǒng)轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控系統(tǒng)。

那么，小鼠體內(nèi)是否能實現(xiàn)口服非天然氨基酸調(diào)控目的蛋白表達？為此，該團隊展開了非天然氨基酸的藥物代謝動力學(xué)實驗，結(jié)果顯示小鼠服用非天然氨基酸之后可以被體內(nèi)吸收。

考慮到在人類細胞體外改造之后，再移植到小鼠體內(nèi)，一般要克服相應(yīng)的免疫排斥反應(yīng)。所以他們使用臨床研究上的細胞包埋方法，先將系統(tǒng)細胞的包裹以選擇性的方式透過膜，然后進行細胞移植操作。

選擇性透過膜的好處在于，這種方式只會讓蛋白質(zhì)等生物大分子和小分子通過，小鼠免疫細胞則會被濾出在外，從而可讓小鼠體內(nèi)的系統(tǒng)細胞得以存活，進而可分泌出所需的蛋白，隨后即可流入血液。

由于進食會影響患者的血糖水平，因此當(dāng)血糖得到及時、且準(zhǔn)確的控制，那么相關(guān)并發(fā)癥的發(fā)病率也可得到降低。此前使用轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控的胰島素表達系統(tǒng)，小鼠血糖在 4 小時之后才會被降低，遠遠無法實現(xiàn)快速控血糖。

這意味著，翻譯水平調(diào)控系統(tǒng)的降血糖速度必須得到提升。研究中，該團隊先給糖尿病小鼠移植進去非天然氨基酸調(diào)控的胰島素細胞治療系統(tǒng)，然后準(zhǔn)備單一劑次的非天然氨基酸，并對小鼠進行灌胃，口服之后大約90分鐘時，小鼠的血清胰島素水平升高，相對應(yīng)的血糖值出現(xiàn)顯著降低，這說明翻譯水平調(diào)控蛋白表達在速度上十分具有優(yōu)勢。

“吃飯就是吃藥”？

有了速度還得有長期性的優(yōu)勢，非天然氨基酸調(diào)控的胰島素細胞治療系統(tǒng)是否具有長期治療效果？

在對糖尿病小鼠的胰島素和血糖水平，進行一整月的監(jiān)控之后，該團隊發(fā)現(xiàn)小鼠血糖可被長期控制。

（來源：Nature Chemical Biology）

他們還給小鼠飼料摻進去非天然氨基酸，做成一種餅干，小鼠就像吃飯一樣吃進去之后，就可以控制血糖，可謂“吃飯就是吃藥”，便利程度極佳。在長期的毒性實驗中，非天然氨基酸也對小鼠毫無傷害。

可以說，該研究讓傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控得以被跨越，當(dāng)能在階段控制蛋白表達直接進行翻譯，蛋白質(zhì)調(diào)控速度也可得到提高，也意味著細胞治療的調(diào)控工具在合成生物學(xué)領(lǐng)域再次得到擴展。

對于糖尿病患者的疾病干預(yù)來說，新型治療策略也有望在若干時間內(nèi)落地。可以展望的是，未來有望實現(xiàn)飯前吞下一粒非天然氨基酸藥物，或者食用含有非天然氨基酸成分的食物，即可實現(xiàn)控血糖。

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支持：徐子喻、趙曉旭

參考：