麻省理工學院的研究人員開發了一種新方法，利用基於CRISPR蛋白的方法精確控制哺乳動物細胞中產生的特定蛋白質的數量。這項技術可用於精確調整有用蛋白質的生產，包括用於治療癌症和其他疾病的單克隆抗體。它也可以精確校準細胞行為的其他方面。

利用基於CRISPR基因編輯系統的方法，麻省理工學院的研究人員開發了一種新方法，可以精確控制哺乳動物細胞中產生的特定蛋白質的數量。資料來源：Matthew Daniels，由麻省理工學院新聞網

在他們的新研究中，研究人員顯示，這個系統可以在各種哺乳動物細胞中工作，且結果非常一致。描述這些結果的論文最近發表在《自然通訊》雜誌上。

“這是一個高度可預測的系統，我們可以預先設計，然後得到預期的結果，”前麻省理工學院研究科學家William CW Chen說。”這是一個非常可調整的系統，適用於不同類型細胞的許多不同的生物醫學應用”。

現在是南達科他大學生物醫學科學助理教授的Chen是這項新研究的主要作者之一，同時還有前麻省理工學院研究科學家Leonid Gaidukov和博士後Yong Lai。高級作者Timothy Lu作為麻省理工學院生物工程和電氣工程及計算機科學副教授領導了這項研究。

基因控制

許多治療性蛋白質，包括單克隆抗體都是在含有哺乳動物細胞的大型生物反應器中生產的，這些細胞被設計用來產生所需的蛋白質。幾年前，麻省理工學院合成生物學中心的研究人員，包括Lu的實驗室，開始與輝瑞公司合作開展一個項目，開發可用於促進這些有用蛋白質生產的合成生物學工具。

為了做到這一點，研究人員瞄準了他們想要調高的基因的啟動子。在所有的哺乳動物細胞中，基因有一個與轉錄因子結合的啟動子區域–啟動基因轉錄為信使RNA的蛋白質。

在以前的工作中，科學家們設計了合成的轉錄因子，包括稱為鋅指的蛋白質結構模體，以幫助激活目標基因。然而，鋅指和大多數其他類型的合成轉錄因子必須為它們所針對的每個基因重新設計，這使得它們的開發具有挑戰性和耗費時間。

2013年，Lu實驗室的研究人員開發了一種基於CRISPR的轉錄因子，使他們能夠更容易地控制哺乳動物和酵母細胞中自然發生的基因的轉錄。在新的研究中，研究人員著手在這項工作的基礎上創建一個合成生物部件庫，使他們能夠傳遞轉基因–一種細胞通常不表達的基因–並精確控制其表達。

Chen說：”我們的想法是擁有一個全譜系的合成啟動子系統，可以從非常低的水平到非常高的水平，以適應不同的細胞應用。”

研究人員設計的系統包括幾個部分。一個是要轉錄的基因，以及一個”操作者”序列，它由一系列人工轉錄因子結合點組成。另一個組成部分是引導RNA，它與這些操作者序列結合。最後，該系統還包括一個連接到停用的Cas9蛋白的轉錄激活域。當這種失活的Cas9蛋白與合成啟動子位點的引導RNA結合時，基於CRISPR的轉錄因子可以開啟基因表達。

用於該合成系統的啟動子位點被設計成與自然發生的啟動子位點不同，因此該系統不會影響細胞自身基因組中的基因。每個操作者包括2到16個拷貝的引導RNA結合位點，研究人員發現他們的系統可以以與結合位點數量線性對應的速率啟動基因轉錄，使他們能夠精確控制產生的蛋白質數量。

高度一致性

研究人員在幾種類型的哺乳動物細胞中測試了他們的系統，包括中國倉鼠卵巢（CHO）細胞，這些細胞通常用於在工業生物反應器中生產治療性蛋白質。他們發現在CHO細胞和他們測試的其他細胞中的結果非常相似，包括小鼠和大鼠的肌細胞（肌肉細胞的前體）、人類胚胎腎細胞和人類誘導多能幹細胞。

Chen說：”該系統在不同的細胞類型和不同的目標基因上具有非常高的一致性。這是一個很好的起點，可以考慮用一個高度可調整、可預測的人工系統來調控基因表達和細胞行為。”

在首先證明他們可以使用新系統誘導細胞產生預期數量的熒光蛋白之後，研究人員表明他們還可以用它來編程生產一種被稱為JUG444的單克隆抗體的兩個主要部分。

研究人員還對CHO細胞進行編程，使其產生不同數量的稱為抗PD1的人類抗體。當人類T細胞接觸到這些細胞時，如果產生的抗體數量較多，它們會成為更有力的腫瘤細胞殺手。

他們說，儘管研究人員能夠獲得所需抗體的高產量，但要將這一系統納入工業流程，還需要進一步努力。與工業生物反應器中使用的細胞不同，這項研究中使用的細胞是生長在一個平面上，而不是在液體懸浮液中。”這是一個有希望用於工業應用的系統，但首先我們必須將其改造成懸浮細胞，看看它們是否能製造出同樣的蛋白質。”