斯坦福大学开发新型合成受体PAGER，实现细胞行为可编程控制

细胞行为调控在医学领域至关重要，但现有技术如CARs和syn-Notch在激活机制、抗原和输出范围上存在局限。GPCRs作为最大的细胞表面受体家族，能响应多种信号，具有巨大潜力。然而，其结构复杂性使得改造困难，限制了应用。此外，合成受体技术虽有进展，但仍面临抗原范围有限、输出信号单一及缺乏灵活药物控制等挑战。

一篇发表于《Nature》的前沿研究论文引起了科学界的广泛关注。该研究由斯坦福大学的Alice Y. Ting教授团队主导，成功开发了一种名为“PAGER”（Programmable Antigen-Gated G-Protein-Coupled Engineered Receptors）的新型合成G蛋白偶联受体（GPCR）技术。这一突破性成果有望在细胞行为精准调控领域掀起一场革新，为疾病治疗、药物研发以及基础科学研究提供强有力的工具。

研究内容

PAGER的关键在于将条件性自抑制结构域与G蛋白偶联受体（GPCR）结合，通过抗原-纳米抗体的特异性结合解除抑制，进而激活受体响应药物信号。

图 1 PAGER的整体设计

如图1展示了PAGER的整体设计。当抗原与纳米抗体结合时，自抑制肽拮抗剂从GPCR的正交位点脱离，允许小分子药物（如SalB或DCZ）激活受体，驱动下游信号通路（如转基因表达、G蛋白激活或实时荧光信号）。

图 2 抗原结合的空间机制

图2通过AlphaFold2模型揭示了抗原结合的空间机制。纳米抗体的互补决定区（CDRs）与自抑制肽的空间位阻效应是激活的关键，灵活linker（如GGGS）的引入可调节对可溶性/膜表面抗原的响应差异。

图 3 PAGER中筛选的候选拮抗剂肽的SalB半数有效浓度值汇总

剂量响应曲线显示，优化后的PAGER（如Arodyn(1-6)肽拮抗剂）对GFP抗原的响应效率提升10倍以上，验证了其高灵敏度与可逆性。

通过GFP纳米抗体融合的PAGER_FL，研究者实时捕捉到抗原结合后GPCR的构象变化，荧光信号在数分钟内显著增强（t₅₀=3.1分钟）。同时，利用TRUPATH技术，证实PAGERs可激活Gq、Gi等不同G蛋白通路，驱动ERK磷酸化、cAMP水平变化等下游事件，展示了其信号输出的多样性。

PAGER的模块化特性使其能适配多种抗原和细胞类型。研究发现，PAGER_TF可检测M2型巨噬细胞相关抗原（如VEGF、CCL2），诱导HEK细胞分泌IFNγ，驱动巨噬细胞向促炎型M1极化，伴随CD86和NOS2等标志物的显著上调。并且PAGER能够驱动双特异性T细胞衔接器（BiTE）的分泌，有效增强T细胞对肿瘤细胞的杀伤能力，为癌症免疫治疗提供新策略。

图 4 抗mCherry PAGER_Gi调控神经元活动的抗原依赖性钙信号响应分析

在大鼠皮层神经元中表达抗mCherry的PAGER_Gi，并利用GCaMP6s荧光探针监测钙波动。当加入可溶性mCherry（1μM）或共培养表面表达mCherry的HEK细胞后，再添加DCZ药物（2nM），神经元的钙信号被显著抑制。对比实验显示，无抗原时DCZ无法有效抑制钙活动，证明PAGERs的抗原依赖性响应特性。同时，通过病毒载体将PAGER_Gi导入小鼠海马体神经元，在脑切片实验中，仅当mCherry抗原与DCZ同时存在时，神经元的静息膜电位（RMP）和动作电位阈值（rheobase）才发生显著改变，实现了时空精准的神经活动抑制。

PAGER技术的问世为多个领域带来了前所未有的机遇：

1.       精准医疗：PAGER可根据肿瘤微环境中的特定抗原，精准激活免疫细胞，增强抗肿瘤免疫反应，同时降低对正常组织的损害。

2.       神经科学：在神经元细胞中，PAGER能实现对神经活动的精确控制，为研究神经回路功能和神经疾病机制提供了新的手段。

3.       药物研发：PAGER可作为实时检测细胞信号传导的工具，加速药物筛选和药效评估过程。研究成果与未来展望。

尽管PAGER技术展现出巨大的潜力，但其在体内应用、信号调控精度以及长期稳定性等方面仍有待进一步优化。未来，随着技术的不断完善，PAGER有望成为细胞治疗和精准医学领域的核心工具之一，为人类健康保驾护航。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-024-08282-3