【Cell】西湖大学解明岐团队：创新的生物计算基因网络，或成糖尿病治疗新希望！

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作者：Tracy

【导读】到目前为止，生物计算严格遵循数字电子学的传统设计原则，在组装更复杂的基因电路时，这些原则可能会达到极限。在本研究中，通过创建三态缓冲区的遗传变体，而不是使用传统的逻辑门作为基本信号处理单元，团队引入了一种基于三态的逻辑合成（TriLoS）框架，设计能够在单细胞群内，执行复杂布尔微积分的多层基因网络。

2024年7月31日， 西湖大学医学院、生命科学学院解明岐团队在期刊《Cell》上发表了题为“Multi-layered computational gene networks by engineered tristate logics”的研究论文。本研究提供了一种资源高效的替代方案，可以替代编程集成基因网络，不再不分青红皂白地遵循传统的电子和电路设计蓝图，有望揭示哺乳动物生物计算机的治疗潜力。

研究背景

01

合成生物学旨在通过以计算机程序员和芯片设计师的思维方式接近生物系统，从而获得对活细胞和组织的精确控制。多层生物计算的编程策略，在很大程度上遵循为数字电子学中的集成电路开发的传统设计原则。在电子学和生物学中，布尔逻辑门是所有复杂电路和基于微处理器的系统，理论上都可以从头开始构建的基本构建块。然而，在实际操作中，当开发更复杂度的基因回路时，这种方法可能会达到极限。

与电子电路不同，不同转录和翻译（TX/TL）网络内跨基因开关和连接模块的信号处理相对较慢，使电路性能极易受到门延迟和/或可能冗余编码算法的影响。此外，尽管电子和电路的每个部分本质上都是彼此正交的，当统一时几乎没有信号干扰，但大规模生物电路的工程，无法避免对相互正交或功能归一化的遗传组件，进行艰苦的重新设计，以确保各个模块之间没有串扰。因此，半加法和半减法，仍然是最复杂的网络拓扑结构，可以使用多层基因调控策略，在单个哺乳动物细胞中进行工程设计。能够处理多个基因表达单元和/或多个基因表达阶段的多个信号（例如，互连的TX/TL控制）的集成基因网络的构建，仍然超出了当前生物计算能力的极限。

在本研究中，团队提出了一种基于三态逻辑合成（TriLoS）的方法，作为将各种组合逻辑，映射到多层哺乳动物基因网络的概念替代方案。使用TriLoS，团队不仅能够以非凡的鲁棒性、模块化和算术复杂性，对多层基因网络进行编程，而且还展示了一种假定的治疗范式，允许同一批植入细胞的疗法，在体内运行疾病特异性3-输入 2-输出药物分泌方案。

研究进展

02

扩展基于TriLoS的基因电路，用于多输入、多输出的生物计算

实验结果显示，只有GEMS受体含有细胞内IL-6RBm，允许Gra触发的靶基因表达。因此，NS3a（H1）-GEMS的共表达TM系列-IL-6RBm（指定GEMSNS3a（H1））、GNCR1-宝石学TM系列-IL-6RBm（指定GEMSGNCR1型），由合成的STAT3特异性启动子驱动的报告基因表达载体，产生新的Gra诱导型 BUF2开关，而类似的Gra-repressible NOT2开关，包括ANR-GEMSTM系列-IL-6RBm（指定GEMS抗逆转录病毒） ，而不是GEMSGNCR1型。

控制SEAP表达的IF1开关，可以与BUF并行操作2-开关驱动相同细胞中的Nluc表达。这不仅支持团队研究的电路性能，而且从细胞生物学的角度来看，它还表明细胞内环AMP（cAMP）和STAT3信号之间，可能存在的正交性。

扩展基于三态的基因电路以产生多个输出通道

一种用于体内基于细胞的糖尿病治疗的3输入2输出治疗生物计算机原型机

除了通过寻求增量复杂性，来构建基于细胞的布尔计算器外，由多层基因网络驱动的生物计算的另一个主要目标，是开发可编程的基于基因和细胞的疗法，这些疗法可以在体内按需分泌治疗性蛋白质。例如，糖尿病是一种慢性、多因素和难治性代谢疾病，在不同的病理状态下需要不同的治疗方案。每种病理状态都可以由不同的输入信号来定义，输入信号可以根据实际的疾病发作，精确协调不同治疗输出信号的分泌。特别是对于大多数 2 型糖尿病（T2D）患者，胰高血糖素样肽1（GLP-1）或胰岛素（INS）都是符合条件的治疗方法。然而，随着INS耐药性的进展，GLP-1可能成为主要的治疗选择，而INS给药是INS缺陷的1型糖尿病（T1D）患者或患有晚期β细胞衰竭的T2D患者的唯一治疗解决方案。从生物计算的角度来看，这种治疗方案可以用（过度）简化的布尔真值表来概括。

也可以使用3种不同的输入信号，绘制类似的治疗计算。事实上，未来的相关治疗方案，可能首先需要体外制造基于细胞的植入物。这些植入物具有定制设计的计算逻辑，然后将工程化细胞终生植入患者体内，以允许不同的环境信号（例如，药物摄入），在同一植入装置的不同药物分泌程序之间灵活地穿梭。与直接使用两个独立触发信号A和B的混合使用相比，使用第3个触发信号C，来提供排他性的INS（而不是GLP-1）分泌逻辑，将具有更高的实际意义。由于T1D和β细胞耗竭是不可逆的并发症，因此从患者开始仅INS方案的那一刻起，可能不再需要GLP-1生产模块。由于在诊断为T1D时，GLP-1可能永远不会再次成为该患者的治疗选择，因此，一次性暴露于第3个触发信号C，可能有助于不可逆地“消除”VA 调节的GLP-1产生模块（如果C=1；INS遵循B的值，A陷入高阻抗状态Z），这使得Gra调节的INS产生，仍然是他/她唯一的处理选择。这不仅避免了长期服用过量的药物，而且还可以从患者的食物限制方案中，去除某些成分。

为了证明触发诱导的Cre活性，团队使用了他莫昔芬调节的ERT2CreERT2重组酶，并证明他莫昔芬诱导和他莫昔芬可抑制基因表达，可以在哺乳动物细胞和小鼠中有效实现。TriLoS不仅允许在哺乳动物细胞中，使用最大简化的编码策略，映射各种复杂的目标逻辑公式，而且还提供了创建具有可设计和疾病特异性治疗逻辑的可编程细胞疗法的前景。

用于体内基于细胞的糖尿病治疗的治疗性生物计算机

研究结论

03

三态缓冲液不仅与生物系统中的基因电路兼容，而且特别适合于编程生物系统中的基因电路。1. 根据定义，三态缓冲区由上游和下游开关元件组织，这有利于以生物学相关的方式（重新）构建网络拓扑，因为基因表达本质上是分层调控的。2. 三态缓冲器的高阻抗状态Z，可能是鲁棒性、资源高效和无干扰生物计算的缺失环节。3. 三态缓冲器的逻辑架构，有助于灵活映射各种数学术语，以进行监管交互。这种将各种计算算法系统地分解为三态缓冲区的方法，使得各种感兴趣的算术公式能够简单地实现，并使生物计算机能够用于各种用户定义的目的进行组装。

本研究描述了一个模块化蓝图，该蓝图允许设计复杂的基因网络，该网络由多个互连的开关组成，这些开关在基因表达的不同层上运行。三态架构的独特优势，几乎是为生物工程量身定制的。使用TX/TL反馈系统的Hill型模型，基于三态的方法可以：（1）显著减少定义电路整体尺寸的生化反应总数；（2）最小化考虑单个门延迟的逻辑操作总数；（3）最终实现更完整的逻辑合成集。基于三态缓冲区（而不是布尔逻辑门）构建的基因电路，可以大大节省工作量和用于生物计算的细胞资源。因此，通过建立一种标准化的编程语言，允许哺乳动物生物计算机的合理组装，具有与当前电子设备类似的易用性、可预测性和可扩展性，TriLoS解决了哺乳动物合成生物学的一个关键问题，并可能为多层基因网络的稳健实施铺平道路，这些应用需要对活细胞甚至生物体进行精确调控，以提高治疗机会。

参考资料：

1.Way J.C.Collins J.J.Keasling J.D.Silver P.A.

Integrating biological redesign: where synthetic biology came from and where it needs to go.

Cell. 2014；157: 151-161

2.Green A.A.Kim J.Ma D.Silver P.A.Collins J.J.Yin P.

Complex cellular logic computation using ribocomputing devices.

Nature. 2017; 548: 117-121

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