工程化哺乳动物细胞中的信号通路

哺乳动物细胞中，信号转导网络通过精密调控机制介导细胞增殖、分化和凋亡等生理活动，以及许多其他对细胞正常功能至关重要的过程。来自赫尔辛基大学医学院的研究团队在国际顶级期刊《Nature biomedical engineering》发表了“Engineering signalling pathways in mammalian cells”，介绍了用于哺乳动物细胞中信号网络重新布线的尖端基因工程技术。其中，天然途径成分的重组，跨界途径移植，以及在细胞和细胞器内的从头信号传导的发展。还讨论了如何通过设计信号通路，哺乳动物细胞可以获得新的特性，如光合作用的能力，检测癌症和衰老细胞标记物的能力，或合成激素或代谢物，以响应化学或物理刺激。还综述了哺乳动物细胞在生物计算中的应用。在哺乳动物细胞中工程信号通路的技术正在推进基础细胞生物学、生物医学研究和药物发现。

关键发现：

1、合成信号通路的类型

图1 合成信号通路

合成信号级联工程允许改变这两种类型的细胞反应（图1）。因为哺乳动物细胞中的信号事件发生在毫秒上（而哺乳动物基因的转录平均需要几十分钟），工程合成信号级联允许控制某些蛋白质的定位和表达，并以时空精度改变细胞行为。

2、 重新连接细胞信号通路

图2 细菌和真菌信号通路跨界移植到哺乳动物细胞

细菌双组分系统（two-component systems，TCSs）是最常被转移到哺乳动物细胞中的信号系统。典型的细菌TCS由一个信号检测器（如HisK）和一个TF（如反应调节器（RR））组成，通过将磷酸基转移到组氨酸相互通信（而不是在哺乳动物细胞中的酪氨酸-丝氨酸-苏氨酸磷酸化传递）。TCS通路的组成部分被用于在哺乳动物细胞中设计光遗传学工具（例如，远红光激活的人类cAMP/cgmp特异性磷酸二酯酶和远红光控制的RTKs）。例如，将沼泽红假单胞菌的不完全对香豆酰同丝氨酸内酯（pC）合成途径移植到发送HEK293细胞中，由pC激活的TFRpaR在受体HEK293细胞中表达。此外，沼泽红假单胞菌的不完全pC合成途径与球形红杆菌的tal基因互补，使发送细胞使用酪氨酸作为pC前体。发送细胞合成了pC，而接收细胞通过激活RpaR依赖的转录来对其作出反应。

3、 工程哺乳动物细胞的应用

图3 工程细胞的应用

工程哺乳动物细胞可以作为癌症、衰老和代谢性疾病细胞治疗的组成部分，作为全细胞生物传感器和报告者，并作为多细胞生物计算系统的构建模块。

 结论

在这篇综述中，作者描述了在哺乳动物细胞中进行信号通路工程的普遍技术。讨论了通过最近开发的嵌合抗原受体（chimeric antigen receptors，CAR）系统来设计合成Notch（SynNotch）受体和CAR受体的策略：光可控的CARs，在巨噬细胞和自然杀伤（NK）细胞上安装CARs，以及适配器CARs。还概述了通过酶或催化活性来设计蛋白质信号电路的策略。总的来说，作者预计合成生物学和光遗传学的持续进展，以及基因和细胞进入组织的进步，将推动基础生物学和翻译研究的进一步进展，最终导致信号通路工程整合到临床应用中。

原文：

Leopold, A. V., & Verkhusha, V. V. (2024). Engineering signalling pathways in mammalian cells. Nature biomedical engineering, 8(12), 1523–1539.