Science发布细胞信号网络重编程新技术

发表在8月15日《科学》（Science）杂志上的一篇研究论文报告称，资深作者、斯坦福大学生物工程学副教授Christina Smolke博士开发了一种称之为分子网络换向器（molecular network diverter）的生物学新工具。

　　

生物通报道  斯坦福大学的一位生物工程师帮助研发出了一项调节细胞内部运作控制系统的新技术，从而为未来开发出能够关闭疾病状态或是开启健康程序的治疗干预指明了道路。

这篇发表在8月15日《科学》（Science）杂志上的研究论文报告称，资深作者、斯坦福大学生物工程学副教授Christina Smolke博士开发了一种称之为分子网络换向器（molecular network diverter）的生物学新工具。

这一分子换向器利用了三个生物学子系统的协同作用，对信号通路即编排细胞机器的复杂分子互作网络进行了重定向。

Smolke和她的合作者们：加州理工大学的Kate Galloway博士和加州大学河滨分校的Elisa Franco博士，针对酵母细胞完成了这些实验。

这一分子网络转向器适用于研究控制细胞发育、增殖和死亡的信号网络。当人类中的这些信号通路出错时，这样的功能失常可导致许多癌症类型及其他疾病。

Smolke 说：“尽管我们是在酵母中开展这项研究，但这些信号通路在高等生物中具有极大的保守性或相似性。既然我们在较简单的系统中已经证实了这一点，接下来就是将这项技术应用于人类细胞培养物。”

研究小组最初的目的是要控制酵母的交配行为，这一自然活动受到信息素的影响。信息素是一种自然生成的、可触发异性反应的无气味物质。

在一系列的实验中，Smolke和她的合作者们尝试了各种技术在不考虑信息素活性的条件下，诱导或是抑制酵母交配行为。

起初，他们发现所应用的各种技术作用相互抵消。但通过计算机建模以及微调化学成分，他们将三种技术整合为一项统一标准技术，构建出了这一分子网络换向器，其中包括的元件有：

传感器，一个以RNA为基本组成的收集有关细胞化学环境信息的系统。

启动子，帮助启动和调节想得到的变化。

信号通路调控子，负责找到细胞信号通路中适当的位点进行干预。

Smolke说：“我们利用这些片段构建出了这一控制系统。以一种模块化方式将它们组合到这一分子网络换向器中，这就是我们的新成果。”

通过采用化学方法以不同的方式调节这一分子网络，研究人员能够在缺乏信息素的条件下诱导酵母交配，在有信息素的情况下抑制交配行为，操控包含这一信号调控机制的细胞系处于中性状态直至研究人员触动这一信号开关。

Smolke 说：“我们已经构建出了这种工具，该工具本身是一种控制系统，并为操作自身提供了一种方法。基于这一原理证明，我们还能够想出其他普遍性的设计策略。”
 
波士顿大学的生物医学工程需教授James Collins博士（未参与该研究）认为，这篇论文表明了一种构建生物工程学工具的新系统方法。

Collins 说：“它表明我们无需从头开始，可通过利用已经获得的组件来取得进展。这项工作将工程学原理应用到了细胞生物学中，是合成生物学的一个重要进展。”

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

Dynamically Reshaping Signaling Networks to Program Cell Fate via Genetic Controllers

Engineering of cell fate through synthetic gene circuits requires methods to precisely implement control around native decision-making pathways, and offers the potential to direct cell processes. We demonstrate a class of genetic control systems, molecular network diverters, that interface with a native signaling pathway to route cells to divergent fates in response to environmental signals without modification of native genetic material. A method for identifying control points within natural networks is described that enables the construction of synthetic control systems that activate or attenuate native pathways to direct cell fate. We integrate opposing genetic programs by developing network architectures for reduced antagonism and demonstrate rational tuning of performance. Extension of these control strategies to mammalian systems should facilitate the engineering of complex cellular signaling systems.