合成生物學在醫(yī)學及腫瘤治療應用的研究前景

莊成樂(綜述)，黃衛(wèi)人，蔡志明(審校)

(　1.汕頭大學醫(yī)學院臨床醫(yī)學系，廣東 汕頭 515041； 2.深圳市第二人民醫(yī)院 a.泌尿外科, b.中心實驗室，廣東 深圳 518035)

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腫瘤醫(yī)學

合成生物學在醫(yī)學及腫瘤治療應用的研究前景

莊成樂1,2a△(綜述)，黃衛(wèi)人2b，蔡志明1,2※(審校)

(1.汕頭大學醫(yī)學院臨床醫(yī)學系，廣東 汕頭 515041； 2.深圳市第二人民醫(yī)院 a.泌尿外科, b.中心實驗室，廣東 深圳 518035)

摘要：進入21世紀以來，合成生物學作為一門具有巨大潛力的綜合性學科引起了人們的關注。合成生物學可以組裝新的生物分子網絡、路徑和元件，在現代醫(yī)學中扮演著越來越重要的角色。今后，合成生物學將在醫(yī)藥領域及腫瘤治療應用方面發(fā)揮非常重要的作用。在醫(yī)學外領域，合成生物學也具有廣闊的應用前景，但是面臨著生物安全和倫理等問題。

關鍵詞：合成生物學；基因線路；藥物合成；腫瘤治療；人造生命

合成生物學是一門綜合了基因組學、分子生物學和工程學等一系列方法和原理而形成的綜合性交叉學科[1]。與基因工程在分子水平上對基因進行復雜的操作不同，合成生物學在基因組解析和合成生物器件基礎上，以形成標準化元件庫，制造出可形成新型調控網絡的生物器件，最終創(chuàng)造出新的完整生物系統(tǒng)甚至人工生命體[2]。現就合成生物學的發(fā)展歷程、優(yōu)勢及在醫(yī)藥領域及腫瘤治療等方面的應用進行綜述。

1合成生物學的發(fā)展歷程及優(yōu)勢

合成生物學一詞最早出現在1911年[3]。1974年，Szybalski[4]提出了對合成生物學的展望；1978年時，進一步預言“合成生物學”時代終會到來[5]。Gardner等[6]在大腸埃希菌中構建成了一個合成的基因雙穩(wěn)態(tài)人工功能器件；Elowitz和Leibler[7]成功合成第一個壓縮振蕩子，這些成就為合成生物學打下堅實基礎。

同時，合成生物學在分子病理學研究和傳染性疾病分子基礎等方面具有非常顯著的優(yōu)勢。例如，為了證明一種以B細胞早期發(fā)育阻斷為特征的血液丙種球蛋白血缺乏癥與IgB的一種無義突變有關，Ferrari等[8]在果蠅S2細胞中的正交環(huán)境下人工重構了B細胞抗原受體信號處理過程中的各種組分。利用該合成試驗平臺，研究者可以對前B細胞受體(preB cell receptor，BCR)信號網路拓撲結構產生更深入的理解并認識到IgB的無義突變確實可導致人丙種球蛋白缺乏癥的發(fā)生。在研究病毒性疾病方面，可通過重構致病病毒基因組達到相應的目的。例如合成并重構嚴重急性呼吸綜合征冠狀病毒和1918西班牙流感病毒，有助于鑒定造成致病力增加的基因突變，并幫助人們了解動物源性病毒怎樣獲得感染人類的親和性，促進病毒變異的研究和預防[9]。

總之，由于合成生物學巨大的應用前景和相對其他領域顯著的優(yōu)勢，它呈現了蓬勃發(fā)展的景象，已成為了當今研究的前沿熱點。

2合成生物學在醫(yī)藥領域的應用

近年來，人們將合成生物學的理論和技術應用于微生物改造、抗感染藥物和疫苗的研發(fā)、腫瘤治療、細胞治療和再生醫(yī)學等領域，初步顯示具有良好的潛在應用前景[10]。在21世紀，合成生物學為提高人類的健康水平提供了前所未有的機遇[11]。目前，合成生物學已經在藥物產業(yè)化、疫苗開發(fā)、誘導多功能干細胞等方面取得了令人矚目的成績。

2.1合成生物學在藥物產業(yè)化方面的應用在當代，新的藥品從研發(fā)環(huán)節(jié)至最后應用于臨床實踐需要花費很長的時間，有許多藥物是暫時未能大規(guī)模生產的，價格昂貴，使用合成生物學策略開展新藥研發(fā)可以解決新藥研發(fā)周期長、成本高的問題。美國加州大學伯克利分校Martin等[12]將來自釀酒酵母等物種的10個基因植入大腸埃希菌中，利用改造后的代謝系統(tǒng)合成青蒿素。Westfall等[13]利用合成的技術手段，首先設計并創(chuàng)建了一條在大腸埃希菌或酵母中不存在的合成青蒿酸的代謝途徑。在引入外源回路的基礎上，將來自大腸埃希菌、酵母、青蒿的多種基因及其代謝途徑組裝與精密調控，最后執(zhí)行出所需功能——生產出青蒿素的前體物質amorphadiene和青蒿酸，從而完成了將每一個細胞當作微生物制藥工廠進行設計、加工、集成、組裝、控制等并生產出青蒿酸的系統(tǒng)工程。Weber等[14]設計合成了一個基于EthR的哺乳動物基因線路，該線路構建了一個連有 EthR 反式作用子的報告基因來篩選鑒定 EthR 抑制子，進而消除對乙硫異煙胺的拮抗作用。該設計基于病理機制構建基因工程線路，并研發(fā)出應用于全細胞的新藥。紫衫醇是有效的抗腫瘤藥物，但難于大規(guī)模生產，價格昂貴。Ajikumar等[15]使用模塊化工程的方法，調整在大腸埃希菌中各基因元件的表達水平，平衡兩個模塊，最后使紫杉醇的前體物質紫衫二烯的產量大大提高，這種方法有望用于大規(guī)模生產紫杉醇等物質。

2.2合成生物學在疫苗開發(fā)方面的應用疫苗開發(fā)工作一直進展緩慢[16]，主要是由于使用減毒微生物的潛在風險，以及受難以改變靶點特異性等問題的制約。Wimmer等[17]利用種屬特異性的密碼子偏好現象獲得了減毒的脊髓灰質炎病毒。該方法極大地降低了該病毒相關蛋白的翻譯效率，卻同時保證了對人體的免疫保護作用。Mueller等[18]也通過這樣的方法，設計活的毒性降低的流感病毒疫苗，此種方法設計的毒性低的流感病毒疫苗有望廣泛地應用于各種流感。Zhang等[19]將肌生成抑制蛋白基因整合到酵母菌中，使酵母菌表達哺乳動物肌生成抑制蛋白,這樣的酵母菌能夠在富含營養(yǎng)的培養(yǎng)基中穩(wěn)定地表達哺乳動物肌生成抑制蛋白持續(xù)兩年。這種技術可用于進一步改造酵母菌，且可應用在生產治療人類肌肉消耗性疾病的疫苗方面[19]。

2.3合成生物學在誘導多功能干細胞方面的應用近些年來，再生醫(yī)學也逐漸成為醫(yī)學研究的熱門領域。再生醫(yī)學是一門新興學科，它整合多個學科的知識與專長，用于機體組織器官受損后的修復與再生[20]。再生醫(yī)學不僅僅是取代人體沒有功能的細胞與組織，同時也提供可用于體內修復的基本物質，從而促進機體的再生修復[21]。干細胞治療是再生醫(yī)學中的重要治療手段，但是許多的干細胞仍舊難以獲得。隨著誘導多功能干細胞的發(fā)展，利用人體自身的細胞獲得干細胞成為現實[22]。現在，誘導多功能干細胞可通過使體內軀體細胞僅插入和表達4個基因而獲得[23]，但是這種方法有自身的缺陷，完全插入這些基因及額外的基因可導致體細胞向癌細胞轉化[24]。Warren等[25]利用合成生物學的原理與方法，通過合成具有類似信使RNA功能的RNA分子，一旦這種RNA進入細胞內，翻譯成的蛋白質能誘導細胞產生多向分化性而不會引進新的基因，從而解決了這個缺陷。使用這種方法，合成生物學也許將來能通過合成具有靶向結合損傷結構、器官的生物器件而更加廣泛地應用于再生醫(yī)學領域。

3合成生物學在腫瘤治療中的應用及前景

腫瘤疾病在當代疾病譜中位居前列，當前對于腫瘤治療的進展仍處于探索階段，對其發(fā)生、發(fā)展和轉歸還有很多亟待解決的重大科學和技術問題。合成生物學的快速發(fā)展，為腫瘤研究提供了一系列嶄新的理念、思路、方法和良好的實驗平臺。同時，腫瘤合成生物學研究也將逐步豐富合成生物學的理論基礎和科學技術體系。

3.1合成生物學在抗癌藥物篩選中的應用Gonzalez-Nicolini等[26]開發(fā)了CHO-p27Kip1基因回路，作為開發(fā)新藥的癌細胞模型。p27 kinase inhibition protein 1(p27Kip1)是細胞周期調節(jié)蛋白抑制子，能誘導腫瘤細胞周期的停滯。將p27Kip1編碼基因置于tetracycline-dependent transactivator(tTA)調節(jié)蛋白和其靶標啟動子組成的四環(huán)素關閉回路控制下，該回路就能響應四環(huán)素，從而調控細胞的表型。當存在高濃度四環(huán)素時，細胞具有野生型生長特性；當四環(huán)素濃度很低時，p27Kip1開始表達，導致部分細胞G1生長期停滯。另外一部分細胞則逃過生長阻滯，再次進入細胞周期，從而精確模擬癌惡性表型的發(fā)生。由此可以篩選能夠選擇性殺死誘導增殖的工程化細胞而不影響生長阻滯在G1期的細胞的化合物。

3.2合成生物學在腫瘤免疫治療中的應用Sarkar等[27]通過先設計實驗，使用阿片類受體阻滯劑或激動劑處理已致瘤小鼠，后通過小干擾RNA敲除μ受體和δ受體的基因，再合成這兩種受體的方法，使兩種結構不同但功能相似的阿片樣受體δ和μ形成二聚體，再將μ受體阻滯劑和δ受體激活劑聯(lián)合使用，大量激活機體免疫細胞阿片樣受體活性，起到逆轉乙醇對免疫系統(tǒng)的抑制作用，同時抑制小鼠乳腺腫瘤細胞的生長，最終達到抑制腫瘤細胞生長并且高效清除腫瘤細胞的目的。聯(lián)合使用μ受體阻滯劑和δ受體激活劑的方法也許在將來可用于免疫缺陷性腫瘤和乙醇相關性疾病的治療。同時，最近T細胞治療腫瘤也成為了新的熱點。通過合成生物學的方法重新設計T細胞，使T細胞表達高親和力的抗原受體，從而克服免疫治療中的免疫耐受問題[28]。

3.3合成生物學的工程化微生物在腫瘤治療中的應用工程菌是合成生物學研究中一個合適的藥物輸送載體。所有的工程菌和系統(tǒng)能被設計成針對特定的致病原。通過構建基因回路，細菌能集聚到腫瘤環(huán)境，并選擇性地釋放細胞毒素，殺滅腫瘤細胞。工程菌對于腫瘤的治療的一個優(yōu)點是能特異性結合腫瘤細胞[29]。Anderson等[30]設計了有腫瘤特異性的細菌，他們能通過腫瘤細胞微環(huán)境的特異性信號來侵入腫瘤細胞。重組的來至鼠傷寒沙門菌的異源性invasin(inv)基因能誘導大腸埃希菌侵入正常的和腫瘤細胞。該實驗組為了使細菌侵入腫瘤細胞，把inv基因放在了能被轉錄操縱子調控的地方，這個操縱子能被腫瘤細胞微環(huán)境的特異信號所激活，而對正常細胞無作用。這些工程菌有望能用來攜帶或者合成腫瘤治療藥物以腫瘤治療。除了細菌，病毒也已經被逐漸用于內源性抗腫瘤治療[31]。通過重新改造，病毒成功地具有轉導特異性細胞的能力，這是通過表達能與特定細胞表面的受體結合的表位達到的。這樣的病毒能表達用于腫瘤治療的藥物轉換酶和細胞因子[32]。這些攜帶了編碼了的核酸的病毒，引起腫瘤細胞的溶解，可能的一個原因是重組了宿主的染色體或者已經在宿主細胞存在的前病毒元件引起的一個不良反應。Cawood等[33]在野生型腺病毒的3′非編碼區(qū)(3′UTR)的E1A基因處設計了一段結合miR-122的序列，利用肝臟癌細胞的miR-122表達水平高于正常肝細胞的事實，使病毒只降低癌細胞E1A基因的表達水平而起溶瘤作用，但是對正常肝細胞無影響。

4展望

近年來，合成生物學正在蓬勃發(fā)展，成為一門新興的學科。合成生物學在生產新能源及工業(yè)化學品、材料、疫苗等醫(yī)藥方面等具有廣闊的前景，但是出現了生物安全及倫理問題等令人關注的問題。例如，利用合成生物學的方法可以設計并制成更具傳染性、毒性、更加具有耐藥性的新品種細菌與病毒，生物恐怖分子有能力制造出對人類致命的病毒，從而對人類形成巨大的威脅。合成生物學的最終目標是創(chuàng)造全新的生命體系，這與自然發(fā)展規(guī)律是截然相反的，在倫理上是備受異議的[34]。任何一項新的技術都是一把雙刃劍，挑戰(zhàn)與機遇并存，只要是合理利用合成生物學，遵循為人類謀利益的原則，就應該值得提倡。雖然合成生物學在發(fā)展過程中仍然遇到許多問題，但是它的先進性及可行性顯而易見。合成生物學將為人類社會的發(fā)展做出巨大的貢獻。

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Research Prospect of the Application of Synthetic Biology in Medicine and Cancer Therapy

ZHUANGCheng-le1,2a，HUANGWei-ren2b，CAIZhi-ming1,2.

(1.DepartmentofClinicalMedicine，MedicalCollegeofShantouUniversity,Shantou515041,China; 2a.DepartmentofUrology, 2b.CentralLab,ShenzhenSecondPeople′sHospital,Shenzhen518035,China)

Abstract:In the 21st century,synthetic biology has become known by people as a comprehensive subject with great potential.Synthetic biology can construct novel biomolecular networks,pathways and components,and is playing a more and more important role in modern medicine due to its special features.Synthetic biology will play a very significant role in medicine and cancer therapy in future.It also has broad application opportunities out of field of medicine,while has to face problems of biological safety and ethic.

Key words：Synthetic biology; Gene networks; Drug synthesis; Cancer therapy； Artificial life

收稿日期：2014-04-28修回日期：2014-09-10編輯：相丹峰

基金項目：國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973計劃)(2014CB745200)

doi：10.3969/j.issn.1006-2084.2015.07.020

中圖分類號：R737.14

文獻標識碼：A

文章編號：1006-2084(2015)07-1203-03