北大联合华师大开发密码子扩展细胞疗法用于食疗糖尿病( 二 )
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 。
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(来源:NatureChemicalBiology)
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 。
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