Cell：打破不可能！多学者开发新的系统，更好更稳定控制细胞生长种群数量

在多细胞生物中，细胞主动感知和控制自己的种群密度。合成的哺乳动物群体感应回路可以提供对种群控制原理的洞察并扩展细胞疗法。然而，一个关键挑战是降低它们对逃避控制的“欺骗”突变的固有敏感性。

2022年3月1日，加州理工学院Michael B. Elowitz团队（Ma Yitong为第一作者）在Cell 在线发表题为“Synthetic mammalian signaling circuits for robust cell population control”的研究论文，该研究重新利用植物激素生长素来实现哺乳动物细胞间通讯和群体感应。

该研究设计了一个矛盾的种群控制回路，称为“Paradaux”，其中生长素在不同浓度下刺激和抑制净细胞生长。该回路在长达 42 天的连续培养的延长时间范围内限制了种群规模。相比之下，当在非自相矛盾的制度下运作时，种群控制变得更容易受到突变逃逸的影响。这些结果将生长素确立为一种多功能的“私人”通信系统，并证明矛盾的回路架构可以提供强大的种群控制。

细胞使用细胞间通讯系统来感知和控制它们自己的细胞群密度。在微生物群落中，细胞通过群体感应过程分泌扩散信号以协调合作行为。在多细胞生物中，细胞间通讯对于实现精确的发育模式、控制免疫反应和协调生物体水平的生理学至关重要。合成的细胞间通信系统同样可以实现细胞自主回路无法实现的固有多细胞行为工程。例如，在细菌中，基础合成生物学研究表明，将群体感应系统与细胞死亡相结合可以使细菌能够限制自身的种群规模或驱动药物释放的同步振荡用于治疗应用。

在哺乳动物细胞中，允许细胞之间特定通信的正交或“私有”通信通道可以实现模拟回路的工程。哺乳动物细胞已被设计为通过重新连接信号通路（例如 Nodal-Lefty、Sonic Hedgehog 和 Notch）来产生、感知和处理来自天然配体的信号，并通过将氨基酸色氨酸重新用作信号分子。然而，这些方法与内生系统并不正交。另一方面，synNotch 受体允许多个正交通信通道，但依赖于细胞接触相互作用来介导可扩散的信号传导。

用于哺乳动物种群控制的理想通信系统将使用可扩散的信号，避免与非工程细胞的不良相互作用，允许外部控制信号强度，并在多种细胞类型中运行。它还应该允许直接和快速控制不同的靶蛋白活性，以允许在细胞内灵活连接，并表现出最小的免疫原性，以促进潜在的生物医学应用。生长素是一类协调生长和行为的植物特异性激素，包括根起始、胚胎发生和向性，代表了这一角色的极好候选者。

文章模式图（图源自Cell ）

在分子上，生长素诱导 F-box 转运抑制剂反应 1 (TIR1) 蛋白与其靶蛋白之间的蛋白质-蛋白质相互作用。这导致了含有 Skp、Cullin、F-box (SCF) 复合物的组装，进而募集 E2 泛素连接酶，靶向特定蛋白质进行降解。由于哺乳动物中不存在 TIR1 及其靶标，因此生长素不调节内源性哺乳动物蛋白。然而，水稻 TIR1 (osTIR1) 的异位表达足以导致蛋白质的生长素依赖性降解，这些蛋白质被设计成含有最小的生长素诱导性 degron (mAID，或本文中为简单起见的 AID) 。因此，生长素与内源性哺乳动物途径正交，但可以通过工程蛋白质靶标直接控制细胞活动。此外，在酵母中，细菌吲哚-3-乙酸 (IAA) 水解酶的异位表达被证明可以催化由非活性前体吲哚-3-乙酰胺 (IAM) 产生生长素，从而控制生长素的产生 。然而，尚未在哺乳动物细胞中建立起种群控制所必需的完整的生长素发送和接收信号系统。

任何种群控制环路的一个关键挑战是进化鲁棒性。通过限制生长，种群控制环路固有地选择逃避监管的“欺骗”突变。在细菌中，毒素-抗毒素系统和定期更换菌株可以防止作弊者逃逸。然而，这些系统使用的组件在哺乳动物细胞中不起作用或不是细胞自主的。在哺乳动物的背景下，对细胞因子和葡萄糖传感回路中自然细胞群大小控制系统的开创性分析揭示了一种矛盾的结构，其中单个信号刺激同一靶细胞群的增殖和死亡，以主动选择对抗作弊者。在这种自相矛盾的设计中，减少信号感应的突变会导致细胞死亡并被消除。

在这里，该研究将生长素通路设计为哺乳动物的“私人”通信通道，并使用它来构建和分析具有不同架构的合成种群控制环路。结合生长素合成酶和生长素转运蛋白，并采用替代的生长素前体，表明生长素途径可用于哺乳动物细胞中的合成群体感应。使用该途径，该研究构建并比较了通过生长素群体感应调节自身种群大小的负反馈和矛盾控制系统。尽管这两个回路在早期都限制了种群规模，但矛盾的系统增强了进化稳定性，正如理论上预测的那样，延长了种群控制的持续时间。总之，这些结果为“私人”信道通信提供了一个通用的、可扩散的合成信号模块，并展示了矛盾的控制方案如何增强种群控制系统的进化稳定性。

参考消息：

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(22)00137-4#%20