合成生物学在医学及肿瘤治疗应用的研究前景

庄成乐(综述)，黄卫人，蔡志明(审校)

(　1.汕头大学医学院临床医学系，广东 汕头 515041； 2.深圳市第二人民医院 a.泌尿外科, b.中心实验室，广东 深圳 518035)



肿瘤医学

合成生物学在医学及肿瘤治疗应用的研究前景

庄成乐1,2a△(综述)，黄卫人2b，蔡志明1,2※(审校)

(1.汕头大学医学院临床医学系，广东 汕头 515041； 2.深圳市第二人民医院 a.泌尿外科, b.中心实验室，广东 深圳 518035)

摘要：进入21世纪以来，合成生物学作为一门具有巨大潜力的综合性学科引起了人们的关注。合成生物学可以组装新的生物分子网络、路径和元件，在现代医学中扮演着越来越重要的角色。今后，合成生物学将在医药领域及肿瘤治疗应用方面发挥非常重要的作用。在医学外领域，合成生物学也具有广阔的应用前景，但是面临着生物安全和伦理等问题。

关键词：合成生物学；基因线路；药物合成；肿瘤治疗；人造生命

合成生物学是一门综合了基因组学、分子生物学和工程学等一系列方法和原理而形成的综合性交叉学科[1]。与基因工程在分子水平上对基因进行复杂的操作不同，合成生物学在基因组解析和合成生物器件基础上，以形成标准化元件库，制造出可形成新型调控网络的生物器件，最终创造出新的完整生物系统甚至人工生命体[2]。现就合成生物学的发展历程、优势及在医药领域及肿瘤治疗等方面的应用进行综述。

1合成生物学的发展历程及优势

合成生物学一词最早出现在1911年[3]。1974年，Szybalski[4]提出了对合成生物学的展望；1978年时，进一步预言“合成生物学”时代终会到来[5]。Gardner等[6]在大肠埃希菌中构建成了一个合成的基因双稳态人工功能器件；Elowitz和Leibler[7]成功合成第一个压缩振荡子，这些成就为合成生物学打下坚实基础。

同时，合成生物学在分子病理学研究和传染性疾病分子基础等方面具有非常显著的优势。例如，为了证明一种以B细胞早期发育阻断为特征的血液丙种球蛋白血缺乏症与IgB的一种无义突变有关，Ferrari等[8]在果蝇S2细胞中的正交环境下人工重构了B细胞抗原受体信号处理过程中的各种组分。利用该合成试验平台，研究者可以对前B细胞受体(preB cell receptor，BCR)信号网路拓扑结构产生更深入的理解并认识到IgB的无义突变确实可导致人丙种球蛋白缺乏症的发生。在研究病毒性疾病方面，可通过重构致病病毒基因组达到相应的目的。例如合成并重构严重急性呼吸综合征冠状病毒和1918西班牙流感病毒，有助于鉴定造成致病力增加的基因突变，并帮助人们了解动物源性病毒怎样获得感染人类的亲和性，促进病毒变异的研究和预防[9]。

总之，由于合成生物学巨大的应用前景和相对其他领域显著的优势，它呈现了蓬勃发展的景象，已成为了当今研究的前沿热点。

2合成生物学在医药领域的应用

近年来，人们将合成生物学的理论和技术应用于微生物改造、抗感染药物和疫苗的研发、肿瘤治疗、细胞治疗和再生医学等领域，初步显示具有良好的潜在应用前景[10]。在21世纪，合成生物学为提高人类的健康水平提供了前所未有的机遇[11]。目前，合成生物学已经在药物产业化、疫苗开发、诱导多功能干细胞等方面取得了令人瞩目的成绩。

2.1合成生物学在药物产业化方面的应用在当代，新的药品从研发环节至最后应用于临床实践需要花费很长的时间，有许多药物是暂时未能大规模生产的，价格昂贵，使用合成生物学策略开展新药研发可以解决新药研发周期长、成本高的问题。美国加州大学伯克利分校Martin等[12]将来自酿酒酵母等物种的10个基因植入大肠埃希菌中，利用改造后的代谢系统合成青蒿素。Westfall等[13]利用合成的技术手段，首先设计并创建了一条在大肠埃希菌或酵母中不存在的合成青蒿酸的代谢途径。在引入外源回路的基础上，将来自大肠埃希菌、酵母、青蒿的多种基因及其代谢途径组装与精密调控，最后执行出所需功能——生产出青蒿素的前体物质amorphadiene和青蒿酸，从而完成了将每一个细胞当作微生物制药工厂进行设计、加工、集成、组装、控制等并生产出青蒿酸的系统工程。Weber等[14]设计合成了一个基于EthR的哺乳动物基因线路，该线路构建了一个连有 EthR 反式作用子的报告基因来筛选鉴定 EthR 抑制子，进而消除对乙硫异烟胺的拮抗作用。该设计基于病理机制构建基因工程线路，并研发出应用于全细胞的新药。紫衫醇是有效的抗肿瘤药物，但难于大规模生产，价格昂贵。Ajikumar等[15]使用模块化工程的方法，调整在大肠埃希菌中各基因元件的表达水平，平衡两个模块，最后使紫杉醇的前体物质紫衫二烯的产量大大提高，这种方法有望用于大规模生产紫杉醇等物质。

2.2合成生物学在疫苗开发方面的应用疫苗开发工作一直进展缓慢[16]，主要是由于使用减毒微生物的潜在风险，以及受难以改变靶点特异性等问题的制约。Wimmer等[17]利用种属特异性的密码子偏好现象获得了减毒的脊髓灰质炎病毒。该方法极大地降低了该病毒相关蛋白的翻译效率，却同时保证了对人体的免疫保护作用。Mueller等[18]也通过这样的方法，设计活的毒性降低的流感病毒疫苗，此种方法设计的毒性低的流感病毒疫苗有望广泛地应用于各种流感。Zhang等[19]将肌生成抑制蛋白基因整合到酵母菌中，使酵母菌表达哺乳动物肌生成抑制蛋白,这样的酵母菌能够在富含营养的培养基中稳定地表达哺乳动物肌生成抑制蛋白持续两年。这种技术可用于进一步改造酵母菌，且可应用在生产治疗人类肌肉消耗性疾病的疫苗方面[19]。

2.3合成生物学在诱导多功能干细胞方面的应用近些年来，再生医学也逐渐成为医学研究的热门领域。再生医学是一门新兴学科，它整合多个学科的知识与专长，用于机体组织器官受损后的修复与再生[20]。再生医学不仅仅是取代人体没有功能的细胞与组织，同时也提供可用于体内修复的基本物质，从而促进机体的再生修复[21]。干细胞治疗是再生医学中的重要治疗手段，但是许多的干细胞仍旧难以获得。随着诱导多功能干细胞的发展，利用人体自身的细胞获得干细胞成为现实[22]。现在，诱导多功能干细胞可通过使体内躯体细胞仅插入和表达4个基因而获得[23]，但是这种方法有自身的缺陷，完全插入这些基因及额外的基因可导致体细胞向癌细胞转化[24]。Warren等[25]利用合成生物学的原理与方法，通过合成具有类似信使RNA功能的RNA分子，一旦这种RNA进入细胞内，翻译成的蛋白质能诱导细胞产生多向分化性而不会引进新的基因，从而解决了这个缺陷。使用这种方法，合成生物学也许将来能通过合成具有靶向结合损伤结构、器官的生物器件而更加广泛地应用于再生医学领域。

3合成生物学在肿瘤治疗中的应用及前景

肿瘤疾病在当代疾病谱中位居前列，当前对于肿瘤治疗的进展仍处于探索阶段，对其发生、发展和转归还有很多亟待解决的重大科学和技术问题。合成生物学的快速发展，为肿瘤研究提供了一系列崭新的理念、思路、方法和良好的实验平台。同时，肿瘤合成生物学研究也将逐步丰富合成生物学的理论基础和科学技术体系。

3.1合成生物学在抗癌药物筛选中的应用Gonzalez-Nicolini等[26]开发了CHO-p27Kip1基因回路，作为开发新药的癌细胞模型。p27 kinase inhibition protein 1(p27Kip1)是细胞周期调节蛋白抑制子，能诱导肿瘤细胞周期的停滞。将p27Kip1编码基因置于tetracycline-dependent transactivator(tTA)调节蛋白和其靶标启动子组成的四环素关闭回路控制下，该回路就能响应四环素，从而调控细胞的表型。当存在高浓度四环素时，细胞具有野生型生长特性；当四环素浓度很低时，p27Kip1开始表达，导致部分细胞G1生长期停滞。另外一部分细胞则逃过生长阻滞，再次进入细胞周期，从而精确模拟癌恶性表型的发生。由此可以筛选能够选择性杀死诱导增殖的工程化细胞而不影响生长阻滞在G1期的细胞的化合物。

3.2合成生物学在肿瘤免疫治疗中的应用Sarkar等[27]通过先设计实验，使用阿片类受体阻滞剂或激动剂处理已致瘤小鼠，后通过小干扰RNA敲除μ受体和δ受体的基因，再合成这两种受体的方法，使两种结构不同但功能相似的阿片样受体δ和μ形成二聚体，再将μ受体阻滞剂和δ受体激活剂联合使用，大量激活机体免疫细胞阿片样受体活性，起到逆转乙醇对免疫系统的抑制作用，同时抑制小鼠乳腺肿瘤细胞的生长，最终达到抑制肿瘤细胞生长并且高效清除肿瘤细胞的目的。联合使用μ受体阻滞剂和δ受体激活剂的方法也许在将来可用于免疫缺陷性肿瘤和乙醇相关性疾病的治疗。同时，最近T细胞治疗肿瘤也成为了新的热点。通过合成生物学的方法重新设计T细胞，使T细胞表达高亲和力的抗原受体，从而克服免疫治疗中的免疫耐受问题[28]。

3.3合成生物学的工程化微生物在肿瘤治疗中的应用工程菌是合成生物学研究中一个合适的药物输送载体。所有的工程菌和系统能被设计成针对特定的致病原。通过构建基因回路，细菌能集聚到肿瘤环境，并选择性地释放细胞毒素，杀灭肿瘤细胞。工程菌对于肿瘤的治疗的一个优点是能特异性结合肿瘤细胞[29]。Anderson等[30]设计了有肿瘤特异性的细菌，他们能通过肿瘤细胞微环境的特异性信号来侵入肿瘤细胞。重组的来至鼠伤寒沙门菌的异源性invasin(inv)基因能诱导大肠埃希菌侵入正常的和肿瘤细胞。该实验组为了使细菌侵入肿瘤细胞，把inv基因放在了能被转录操纵子调控的地方，这个操纵子能被肿瘤细胞微环境的特异信号所激活，而对正常细胞无作用。这些工程菌有望能用来携带或者合成肿瘤治疗药物以肿瘤治疗。除了细菌，病毒也已经被逐渐用于内源性抗肿瘤治疗[31]。通过重新改造，病毒成功地具有转导特异性细胞的能力，这是通过表达能与特定细胞表面的受体结合的表位达到的。这样的病毒能表达用于肿瘤治疗的药物转换酶和细胞因子[32]。这些携带了编码了的核酸的病毒，引起肿瘤细胞的溶解，可能的一个原因是重组了宿主的染色体或者已经在宿主细胞存在的前病毒元件引起的一个不良反应。Cawood等[33]在野生型腺病毒的3′非编码区(3′UTR)的E1A基因处设计了一段结合miR-122的序列，利用肝脏癌细胞的miR-122表达水平高于正常肝细胞的事实，使病毒只降低癌细胞E1A基因的表达水平而起溶瘤作用，但是对正常肝细胞无影响。

4展望

近年来，合成生物学正在蓬勃发展，成为一门新兴的学科。合成生物学在生产新能源及工业化学品、材料、疫苗等医药方面等具有广阔的前景，但是出现了生物安全及伦理问题等令人关注的问题。例如，利用合成生物学的方法可以设计并制成更具传染性、毒性、更加具有耐药性的新品种细菌与病毒，生物恐怖分子有能力制造出对人类致命的病毒，从而对人类形成巨大的威胁。合成生物学的最终目标是创造全新的生命体系，这与自然发展规律是截然相反的，在伦理上是备受异议的[34]。任何一项新的技术都是一把双刃剑，挑战与机遇并存，只要是合理利用合成生物学，遵循为人类谋利益的原则，就应该值得提倡。虽然合成生物学在发展过程中仍然遇到许多问题，但是它的先进性及可行性显而易见。合成生物学将为人类社会的发展做出巨大的贡献。

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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编辑：相丹峰

基金项目：国家重点基础研究发展计划(973计划)(2014CB745200)

doi：10.3969/j.issn.1006-2084.2015.07.020

中图分类号：R737.14

文献标识码：A

文章编号：1006-2084(2015)07-1203-03