2024年7月31日， 西湖大學(xué)醫(yī)學(xué)院、生命科學(xué)學(xué)院解明岐團(tuán)隊(duì)在期刊《Cell》上發(fā)表了題為“Multi-layered computational gene networks by engineered tristate logics”的研究論文。本研究提供了一種資源高效的替代方案，可以替代編程集成基因網(wǎng)絡(luò)，不再不分青紅皂白地遵循傳統(tǒng)的電子和電路設(shè)計(jì)藍(lán)圖，有望揭示哺乳動(dòng)物生物計(jì)算機(jī)的治療潛力。
研究背景
合成生物學(xué)旨在通過(guò)以計(jì)算機(jī)程序員和芯片設(shè)計(jì)師的思維方式接近生物系統(tǒng)，從而獲得對(duì)活細(xì)胞和組織的精確控制。多層生物計(jì)算的編程策略，在很大程度上遵循為數(shù)字電子學(xué)中的集成電路開發(fā)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)原則。在電子學(xué)和生物學(xué)中，布爾邏輯門是所有復(fù)雜電路和基于微處理器的系統(tǒng)，理論上都可以從頭開始構(gòu)建的基本構(gòu)建塊。然而，在實(shí)際操作中，當(dāng)開發(fā)更復(fù)雜度的基因回路時(shí)，這種方法可能會(huì)達(dá)到極限。
與電子電路不同，不同轉(zhuǎn)錄和翻譯（TX/TL）網(wǎng)絡(luò)內(nèi)跨基因開關(guān)和連接模塊的信號(hào)處理相對(duì)較慢，使電路性能極易受到門延遲和/或可能冗余編碼算法的影響。此外，盡管電子和電路的每個(gè)部分本質(zhì)上都是彼此正交的，當(dāng)統(tǒng)一時(shí)幾乎沒(méi)有信號(hào)干擾，但大規(guī)模生物電路的工程，無(wú)法避免對(duì)相互正交或功能歸一化的遺傳組件，進(jìn)行艱苦的重新設(shè)計(jì)，以確保各個(gè)模塊之間沒(méi)有串?dāng)_。因此，半加法和半減法，仍然是復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以使用多層基因調(diào)控策略，在單個(gè)哺乳動(dòng)物細(xì)胞中進(jìn)行工程設(shè)計(jì)。能夠處理多個(gè)基因表達(dá)單元和/或多個(gè)基因表達(dá)階段的多個(gè)信號(hào)（例如，互連的TX/TL控制）的集成基因網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，仍然超出了當(dāng)前生物計(jì)算能力的極限。
在本研究中，團(tuán)隊(duì)提出了一種基于三態(tài)邏輯合成（TriLoS）的方法，作為將各種組合邏輯，映射到多層哺乳動(dòng)物基因網(wǎng)絡(luò)的概念替代方案。使用TriLoS，團(tuán)隊(duì)不僅能夠以非凡的魯棒性、模塊化和算術(shù)復(fù)雜性，對(duì)多層基因網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行編程，而且還展示了一種假定的治療范式，允許同一批植入細(xì)胞的療法，在體內(nèi)運(yùn)行疾病特異性3-輸入 2-輸出藥物分泌方案。
研究進(jìn)展
擴(kuò)展基于TriLoS的基因電路，用于多輸入、多輸出的生物計(jì)算
實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，只有GEMS受體含有細(xì)胞內(nèi)IL-6RBm，允許Gra觸發(fā)的靶基因表達(dá)。因此，NS3a（H1）-GEMS的共表達(dá)TM系列-IL-6RBm（指定GEMSNS3a（H1））、GNCR1-寶石學(xué)TM系列-IL-6RBm（指定GEMSGNCR1型），由合成的STAT3特異性啟動(dòng)子驅(qū)動(dòng)的報(bào)告基因表達(dá)載體，產(chǎn)生新的Gra誘導(dǎo)型 BUF2開關(guān)，而類似的Gra-repressible NOT2開關(guān)，包括ANR-GEMSTM系列-IL-6RBm（指定GEMS抗逆轉(zhuǎn)錄病毒） ，而不是GEMSGNCR1型。
控制SEAP表達(dá)的IF1開關(guān)，可以與BUF并行操作2-開關(guān)驅(qū)動(dòng)相同細(xì)胞中的Nluc表達(dá)。這不僅支持團(tuán)隊(duì)研究的電路性能，而且從細(xì)胞生物學(xué)的角度來(lái)看，它還表明細(xì)胞內(nèi)環(huán)AMP（cAMP）和STAT3信號(hào)之間，可能存在的正交性。
擴(kuò)展基于三態(tài)的基因電路以產(chǎn)生多個(gè)輸出通道
一種用于體內(nèi)基于細(xì)胞的糖尿病治療的3輸入2輸出治療生物計(jì)算機(jī)原型機(jī)
除了通過(guò)尋求增量復(fù)雜性，來(lái)構(gòu)建基于細(xì)胞的布爾計(jì)算器外，由多層基因網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)的生物計(jì)算的另一個(gè)主要目標(biāo)，是開發(fā)可編程的基于基因和細(xì)胞的療法，這些療法可以在體內(nèi)按需分泌治療性蛋白質(zhì)。例如，糖尿病是一種慢性、多因素和難治性代謝疾病，在不同的病理狀態(tài)下需要不同的治療方案。每種病理狀態(tài)都可以由不同的輸入信號(hào)來(lái)定義，輸入信號(hào)可以根據(jù)實(shí)際的疾病發(fā)作，精確協(xié)調(diào)不同治療輸出信號(hào)的分泌。特別是對(duì)于大多數(shù) 2 型糖尿?。═2D）患者，胰高血糖素樣肽1（GLP-1）或胰島素（INS）都是符合條件的治療方法。然而，隨著INS耐藥性的進(jìn)展，GLP-1可能成為主要的治療選擇，而INS給藥是INS缺陷的1型糖尿?。═1D）患者或患有晚期β細(xì)胞衰竭的T2D患者的唯一治療解決方案。從生物計(jì)算的角度來(lái)看，這種治療方案可以用（過(guò)度）簡(jiǎn)化的布爾真值表來(lái)概括。
也可以使用3種不同的輸入信號(hào)，繪制類似的治療計(jì)算。事實(shí)上，未來(lái)的相關(guān)治療方案，可能首先需要體外制造基于細(xì)胞的植入物。這些植入物具有定制設(shè)計(jì)的計(jì)算邏輯，然后將工程化細(xì)胞終生植入患者體內(nèi)，以允許不同的環(huán)境信號(hào)（例如，藥物攝入），在同一植入裝置的不同藥物分泌程序之間靈活地穿梭。與直接使用兩個(gè)獨(dú)立觸發(fā)信號(hào)A和B的混合使用相比，使用第3個(gè)觸發(fā)信號(hào)C，來(lái)提供排他性的INS（而不是GLP-1）分泌邏輯，將具有更高的實(shí)際意義。由于T1D和β細(xì)胞耗竭是不可逆的并發(fā)癥，因此從患者開始僅INS方案的那一刻起，可能不再需要GLP-1生產(chǎn)模塊。由于在診斷為T1D時(shí)，GLP-1可能永遠(yuǎn)不會(huì)再次成為該患者的治療選擇，因此，一次性暴露于第3個(gè)觸發(fā)信號(hào)C，可能有助于不可逆地“消除”VA 調(diào)節(jié)的GLP-1產(chǎn)生模塊（如果C=1；INS遵循B的值，A陷入高阻抗?fàn)顟B(tài)Z），這使得Gra調(diào)節(jié)的INS產(chǎn)生，仍然是他/她唯一的處理選擇。這不僅避免了長(zhǎng)期服用過(guò)量的藥物，而且還可以從患者的食物限制方案中，去除某些成分。
為了證明觸發(fā)誘導(dǎo)的Cre活性，團(tuán)隊(duì)使用了他莫昔芬調(diào)節(jié)的ERT2CreERT2重組酶，并證明他莫昔芬誘導(dǎo)和他莫昔芬可抑制基因表達(dá)，可以在哺乳動(dòng)物細(xì)胞和小鼠中有效實(shí)現(xiàn)。TriLoS不僅允許在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中，使用較大簡(jiǎn)化的編碼策略，映射各種復(fù)雜的目標(biāo)邏輯公式，而且還提供了創(chuàng)建具有可設(shè)計(jì)和疾病特異性治療邏輯的可編程細(xì)胞療法的前景。
用于體內(nèi)基于細(xì)胞的糖尿病治療的治療性生物計(jì)算機(jī)
研究結(jié)論
三態(tài)緩沖液不僅與生物系統(tǒng)中的基因電路兼容，而且特別適合于編程生物系統(tǒng)中的基因電路。1. 根據(jù)定義，三態(tài)緩沖區(qū)由上游和下游開關(guān)元件組織，這有利于以生物學(xué)相關(guān)的方式（重新）構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，因?yàn)榛虮磉_(dá)本質(zhì)上是分層調(diào)控的。2. 三態(tài)緩沖器的高阻抗?fàn)顟B(tài)Z，可能是魯棒性、資源高效和無(wú)干擾生物計(jì)算的缺失環(huán)節(jié)。3. 三態(tài)緩沖器的邏輯架構(gòu)，有助于靈活映射各種數(shù)學(xué)術(shù)語(yǔ)，以進(jìn)行監(jiān)管交互。這種將各種計(jì)算算法系統(tǒng)地分解為三態(tài)緩沖區(qū)的方法，使得各種感興趣的算術(shù)公式能夠簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)，并使生物計(jì)算機(jī)能夠用于各種用戶定義的目的進(jìn)行組裝。
本研究描述了一個(gè)模塊化藍(lán)圖，該藍(lán)圖允許設(shè)計(jì)復(fù)雜的基因網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)由多個(gè)互連的開關(guān)組成，這些開關(guān)在基因表達(dá)的不同層上運(yùn)行。三態(tài)架構(gòu)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，幾乎是為生物工程量身定制的。使用TX/TL反饋系統(tǒng)的Hill型模型，基于三態(tài)的方法可以：（1）顯著減少定義電路整體尺寸的生化反應(yīng)總數(shù)；（2）較小化考慮單個(gè)門延遲的邏輯操作總數(shù)；（3）終實(shí)現(xiàn)更完整的邏輯合成集?；谌龖B(tài)緩沖區(qū)（而不是布爾邏輯門）構(gòu)建的基因電路，可以大大節(jié)省工作量和用于生物計(jì)算的細(xì)胞資源。因此，通過(guò)建立一種標(biāo)準(zhǔn)化的編程語(yǔ)言，允許哺乳動(dòng)物生物計(jì)算機(jī)的合理組裝，具有與當(dāng)前電子設(shè)備類似的易用性、可預(yù)測(cè)性和可擴(kuò)展性，TriLoS解決了哺乳動(dòng)物合成生物學(xué)的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，并可能為多層基因網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)健實(shí)施鋪平道路，這些應(yīng)用需要對(duì)活細(xì)胞甚至生物體進(jìn)行精確調(diào)控，以提高治療機(jī)會(huì)。
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