Cell Systems封面文章 | 重構(gòu)多細(xì)胞生命“語言”:科學(xué)家開發(fā)“超靈敏、低負(fù)擔(dān)”的哺乳動(dòng)物細(xì)胞通訊新系統(tǒng)
細(xì)胞通訊是多細(xì)胞生命精密協(xié)作的基石。作為生理活動(dòng)的“指揮棒”,它通過信號(hào)分子傳遞信息,協(xié)調(diào)著生命發(fā)育、免疫與維持穩(wěn)態(tài)。在胚胎構(gòu)建中,形態(tài)發(fā)生素梯度更如同“GPS”,為細(xì)胞提供精確的位置信息,指導(dǎo)其分化與組織圖案成型。若細(xì)胞通訊系統(tǒng)失調(diào),則可能引發(fā)發(fā)育缺陷或癌癥等嚴(yán)重疾病。雖然合成生物學(xué)家此前在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中已開發(fā)出一些基于小分子(如生長素Auxin)的通訊信號(hào)系統(tǒng),但它們普遍存在靈敏度低(需要高濃度信號(hào))和代謝負(fù)擔(dān)重的缺陷。更麻煩的是,這些系統(tǒng)往往需要向培養(yǎng)基中額外添加特定的化學(xué)前體(Precursors),細(xì)胞無法自行合成信號(hào),這極大地限制了其在活體內(nèi)的應(yīng)用。
為了解決這些難題,12月17日,中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院婁春波團(tuán)隊(duì)聯(lián)合北京大學(xué)合作者,在國際學(xué)術(shù)期刊Cell Systems上以封面文章形式在線發(fā)表題為"Low-burden and precursor-free cell-cell communication in mammalian cells enabled by de novo design of super-sensitive intercellular signals"的研究論文,報(bào)道了首個(gè)具有超靈敏響應(yīng)(super-sensitivity)、底盤友好型(low-burden)等優(yōu)異特性的哺乳動(dòng)物細(xì)胞間通訊的小分子信號(hào)系統(tǒng),并進(jìn)一步驗(yàn)證了該系統(tǒng)用于指導(dǎo)多細(xì)胞系統(tǒng)進(jìn)行更復(fù)雜空間組織的底層能力。
本研究首先構(gòu)建并優(yōu)化了Cinn接收模塊。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,該模塊的半最大效應(yīng)濃度(EC50)低至約10-9 mol/L,其靈敏度比現(xiàn)有報(bào)道的最優(yōu)哺乳動(dòng)物細(xì)胞通訊信號(hào)系統(tǒng)提升了約375倍。為了進(jìn)一步提升性能,研究團(tuán)隊(duì)界定了BraR的最小核心結(jié)合序列,將其從46 bp精簡至18 bp,有效降低了潛在的非特異性結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)。此外,針對(duì)受體本底泄漏較高的問題,團(tuán)隊(duì)利用AlphaFold2進(jìn)行結(jié)構(gòu)預(yù)測,采用嵌合工程策略將BraR的配體結(jié)合域(LBD)與同源蛋白R(shí)paR的DNA結(jié)合域(DBD)融合,成功開發(fā)出新型受體KmaR。該受體在保持超高靈敏度的同時(shí)顯著抑制了本底活性,實(shí)現(xiàn)了信號(hào)識(shí)別精度與動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍的協(xié)同優(yōu)化。
在發(fā)送模塊方面,本研究設(shè)計(jì)了包含三種酶的代謝通路,以細(xì)胞內(nèi)廣泛存在的苯丙氨酸為底物,實(shí)現(xiàn)了無需外源前體(Precursor-free)的Cinn自主從頭合成。通過對(duì)基因表達(dá)盒排布的優(yōu)化,該模塊克服了轉(zhuǎn)錄干擾,實(shí)現(xiàn)了Cinn分子的穩(wěn)定高效產(chǎn)出。共培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)證實(shí),得益于系統(tǒng)的高靈敏度,僅需極低比例的發(fā)送細(xì)胞即可有效激活接收細(xì)胞,建立了穩(wěn)健的胞間通訊。為調(diào)控信號(hào)的時(shí)空動(dòng)態(tài),系統(tǒng)引入了高效的內(nèi)酯酶降解模塊,防止信號(hào)累積導(dǎo)致的飽和與干擾。此外,基于細(xì)胞生長動(dòng)力學(xué)與轉(zhuǎn)錄組學(xué)的評(píng)估表明,搭載各功能模塊的工程化細(xì)胞與野生型無顯著差異,證實(shí)了該系統(tǒng)具有卓越的底盤兼容性與低負(fù)擔(dān)特性。
利用這套全新的工具,研究團(tuán)隊(duì)模擬了生物發(fā)育中的經(jīng)典“源-匯(Source-Sink)”空間梯度斑圖模型。他們構(gòu)建了三種細(xì)胞:產(chǎn)生信號(hào)的“源(Sender)”細(xì)胞、降解信號(hào)的“匯(Degrader)”細(xì)胞,以及感知信號(hào)的“接收(Receiver)”細(xì)胞。實(shí)驗(yàn)結(jié)果令人振奮:當(dāng)“源”和“匯”分別位于空間兩端時(shí),中間區(qū)域形成了一個(gè)梯度陡峭且位置穩(wěn)定的信號(hào)響應(yīng)梯度。
更令人驚訝的是,這種機(jī)制表現(xiàn)出了極強(qiáng)的魯棒性(Robustness)——即使改變發(fā)育場的大小、功能細(xì)胞數(shù)量(模擬個(gè)體差異)或改變信號(hào)擴(kuò)散速率(模擬環(huán)境波動(dòng)),形成的圖案邊界依然保持穩(wěn)定。這不僅證實(shí)了“源-匯”機(jī)制在維持生物發(fā)育穩(wěn)定性中的關(guān)鍵作用,也證明了該合成系統(tǒng)具有構(gòu)建復(fù)雜、精密人造組織的潛力。
該研究開發(fā)的Cinn系統(tǒng)具有無前體依賴、超高靈敏度、低細(xì)胞負(fù)擔(dān)三大優(yōu)勢,完美契合了組織工程和細(xì)胞治療的需求。未來,研究人員計(jì)劃利用該系統(tǒng)設(shè)計(jì)更復(fù)雜的細(xì)胞行為,例如引導(dǎo)干細(xì)胞在體外自組裝成類器官,或者設(shè)計(jì)能感知體內(nèi)環(huán)境并精準(zhǔn)釋放藥物的智能細(xì)胞療法,為生物醫(yī)學(xué)研究帶來新的可能。
北京大學(xué)定量生物學(xué)中心博士后孫智博士和中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院助理研究員項(xiàng)延會(huì)博士為本文共同第一作者。中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院研究員婁春波為本文通訊作者。浙江大學(xué)歐陽頎教授和北京大學(xué)副研究員錢瓏為本研究做出重要貢獻(xiàn)。中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所研究實(shí)習(xí)員盤玉逵和技術(shù)員余敏參與工作。該工作被Cell Systems以封面文章形式特別報(bào)道,使用超靈敏通訊系統(tǒng)建立的穩(wěn)健“源-匯”空間梯度斑圖被精選為當(dāng)期封面圖片,文章同時(shí)被該期刊Focus Issue on Mammalian Synthetic Biology(“哺乳細(xì)胞合成生物學(xué)”特刊)收錄。本研究得到國家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目、中國科學(xué)院青年交叉團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金、北京市自然科學(xué)基金、北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心博士后基金以及深圳合成生物學(xué)創(chuàng)新研究院等項(xiàng)目的資助。

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原文鏈接:https://www.cell.com/cell-systems/fulltext/S2405-4712(25)00308-4

圖1?新型高效哺乳細(xì)胞胞間通訊信號(hào)分子合成通路設(shè)計(jì)原則

圖2?超靈敏Cinn receiver的開發(fā)表征和模塊優(yōu)化

圖3 precursor-free sender與diverse degrader的開發(fā)及各模塊low-chassis burden的屬性表征

圖4?使用Cinn胞間通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)建“Source-Sink”空間穩(wěn)健梯度線路

圖5?Cell Systems封面文章
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