加州理工中国博士生提出可在哺乳动物细胞内稳定存在的基因网络，有望提高CAR-T疗法的细胞多稳态

在目前治疗癌症的常见方法中，除了手术、化疗、放射、靶向疗法之外，新型细胞免疫治疗技术——CAR-T 疗法正被视为癌症治疗的“第五支柱”。

当前的 CAR-T 疗法（Chimeric Antigen Receptor T-Cell Immunotherapy）所使用的细胞基本只有一种细胞，这种细胞会表达一种叫做 CAR 的受体，CAR 受体在细胞表面表达之后，可以识别并杀灭癌细胞。

该疗法已经非常有效，但仍存在的局限性之一便是难以根据个体体质精确调控。在有些病人体内，CAR 细胞功能不够强，无法有效清除癌细胞。而在另一些病人体内，CAR 细胞因为太过活跃而产生致命的副作用。

那么，如何破解上述难题？事实上，人体自身免疫系统架构能给我们一些启示。免疫系统由多种功能不同的免疫细胞构成，有些负责识别并杀灭癌细胞，有些负责调控免疫反应避免反应过度。

如果让免疫疗法的细胞也能在不同细胞状态之间互相转换，并让不同状态的细胞互相调控，就能让免疫疗法更安全和高效。

基于此，香港科技大学校友、加州理工大学博士生朱镕徽，研发出一款名为 MultiFate 的多稳态基因网络，，它可让同一基因组的细胞在多种功能态之间转化。

图 | 朱镕徽（来源：朱镕徽）

1 月 21 日，相关论文以《哺乳动物细胞中的合成多稳态性》（Synthetic multistability in mammalian cells）为题发表在 Science 上，朱镕徽担任第一作者。

图 | 相关论文（来源：Science）

从生命起源——一个细胞说起

据悉，朱镕徽来自中国福州，本科就读于港科大生物化学专业。本科时他就对利用数学和物理模型模拟生物系统很感兴趣。

当时他不明白的是，为什么数学和物理可以指导精密的航空设备和机械电子的设计，而在生物中的应用却比较少？

“本科时，我尝试从分子角度预测蛋白质结构，当时加入了港科大张明杰老师实验室。做研究时发现，生物系统在各个层面上都非常复杂。”朱镕徽表示。

后来，通过研究生院的申请，他来到加州理工学院生物学、生物工程和应用物理学教授迈克尔· B ·埃洛维茨（Michael B. Elowitz）课题组读博。

虽然生物系统很复杂，但他仍想尝试用数学物理的模型预测生物系统，比如是否能从某些角度做部分预测？

实验室轮转之后，他正式加入迈克尔的实验室，并开始基因网络的研究。这时他发现，在基因网络预测的层面，已经能用数学模型来做部分预测。

本次研究的原理在于，每个人在一开始时都是个细胞，然后增殖为构成身体的数万亿个细胞。尽管每个细胞都具有完全相同的遗传信息，但每个细胞也都发挥着特殊的功能。

例如，神经元控制着我们的思想和行为，而免疫细胞学会识别和抵抗疾病，皮肤细胞保护我们免受外界的伤害，肌肉细胞让人运动等。

所有这些细胞类型都有一个共同的起源——多能干细胞。干细胞就像一张白纸，可以变成任何类型的细胞。打个比方，多数人都要踏入社会并选择一份职业。而干细胞所选择的“职业”，主要取决于细胞基因组中复杂的反应链。

那么，细胞内部的基因网络是如何控制细胞分化的？为研究这一问题，朱镕徽用搭建合成基因网络的方法来探索，这一合成基因网络被称为 MultiFate。

（来源：Science）

MultiFate 电路由三个基因组成，每个基因编码一个相应的转录因子（一种启动基因表达的蛋白质），并用不同颜色的蛋白质标记：红色、绿色或蓝色。这三种蛋白质中的每一种都通过与自己的 DNA 结合而自行启动，三种类型的蛋白质也可以相互粘附以阻断彼此的活性。

该课题的来源颇有意思。2017 年，他和他的导师正讨论博士阶段的课题，其中一个课题方向是关于自然界中蛋白之间多对多的相互作用。

他想了解这种现象能实现哪些功能。但是，他更感兴趣的是多稳态的基因网络，因为它能让基因组中的相同细胞、分化成不同功能的细胞。

朱镕徽和导师考虑能否结合这两个方向，于是就有了本次课题。为完成研究，他通过搭建数学模型，来初步验证基于蛋白多对多相互作用的原理，即是否能通过设计基因网络、来实现真正的多稳态？

由于他当时还在做另一个课题，从建模到真正做实验间隔大约一年。2018 年底，他才开始搭建基因网络。

直到 2019 年底，他探索了合成蛋白的性质，同时也搭建出基础版基因网络。接下来，他主要通过实验去证明 MultiFate 基因网络是否能完成模型里设计的功能，也就是展示实验结果和数学模型之间是否吻合。

（来源：Science）

MultiFate 基因网络的原料是各种合成蛋白，实际上是自然界中不存在的基因网络。它的特别之处在于，既能和自然界中的基因网络互不影响，也可让自己和自然基因网络连接，从而让自然基因网络和合成基因网络互相控制，最终实现合成基因网络的价值。

说到这里，朱镕徽分析称，研究自然界中的基因网络有两种方法，一种是自上而下（top-down）的方法，即拆解非常复杂的基因网络，例如除掉一个基因后，观察所产生的影响。

另一种是自下而上的（bottom-up）方法，即从头搭建独立的元件，如果搭建的基因网络实现了预期功能，就能总结出一套关于基因网络的搭建原理。

2020 年的新冠疫情，给研究增加了很多不确定性。有一段时间，为证明细胞能在不同稳态中稳定地存在，每隔几天他就得收集细胞样本做测量。当时，他原本计划每隔三天测量一次，实验周期大约 30 到 40 天。进行到 20 多天时，他因为是密接被迫在家隔离一周，这一周多亏了实验室的同事和朋友。

好在最终搭建的数学模型十分给力。借助该数学模型，他发现这种类型的电路可让一个细胞以多达七种不同的状态存在。就像计算机屏幕上的像素一样，这些状态中的每一个都表达了红色、绿色和蓝色蛋白质的不同组合，使细胞能以七种不同色调中的任何一种发光：红色、绿色、蓝色、青色、白色、品红色或黄色。

一旦它处于其中一种状态，细胞就会留在其中，除非故意对其进行干扰。因为细胞被锁定在它们的命运中，一个细胞在它的生长和分裂过程中，已经将它的命运也就是颜色传递给了子细胞。

（来源：Science）

朱镕徽的导师总结称：“这项工作展示了如何从头开始设计和构建合成电路，借此可对理解基本生物现象提供思路。MultiFate 的灵感来自天然细胞命运控制电路的特性，但它是自下而上设计的。不仅有助于解释细胞如何存在于如此多的命运，还可以为扩展细胞疗法提供技术基础，利用多种细胞类型来执行更复杂的治疗功能，这是单一细胞类型无法提供的。”

（来源：Science）

将研究如何更准确地预测疾病走向

下一步，朱镕徽打算把合成基因网络和自然基因网络互相联系起来，让自然的基因网络去控制合成的基因网络，利用自然的信号分子来控制基因网络。

由于免疫系统中有大量信号分子，以 CAR-T 免疫疗法为例，一个重要的问题在于细胞如何知道在多种稳态之间互相转换？这时，就需要给它一些信号，让它们用患者体内已经存在的免疫信号，去控制合成基因网络中间的某一种转录因子的表达，从而使得细胞转换到不同的稳态中。

（来源：Science）

另外，他还打算借助 MultiFate 来控制一些自然基因网络中转录因子的表达，从而控制自然的分化系统。

在研究大方向上，他打算继续深耕数学物理模型和生物系统的结合，以期实现对生物系统各种性质的精准预测。在应用上，他希望能更准确地预测疾病走向和各种疗法的功能。

在学业上，博士毕业后他打算继续做博后研究，目前已经面试了几个，有可能会加入美国湾区或波士顿的高校。

对于结束博后研究之后的规划，他说：“还没有完全想好，可能会找教职，如果找教职的话，国内肯定是其中一个选项。”

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参考：

1、Zhu, R., del Rio-Salgado, J. M., Garcia-Ojalvo, J., & Elowitz, M. B. (2021). Synthetic multistability in mammalian cells. Science, 375(6578), eabg9765.