通過(guò)合成生物學(xué)和工程學(xué)思想，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞有目的的設(shè)計(jì)、改造和重編程。裝載有可控基因線(xiàn)路的人工定制細(xì)胞，就像一個(gè)智能的“細(xì)胞藥物工廠(chǎng)”，通常情況下處于休眠狀態(tài)，當(dāng)接收到外界指令，如小分子藥物、疾病標(biāo)志物或光信號(hào)時(shí)，定制細(xì)胞會(huì)對(duì)其進(jìn)行處理和計(jì)算，以可預(yù)測(cè)及精準(zhǔn)可控的方式生產(chǎn)并釋放蛋白藥物。
然而，現(xiàn)有的人工定制細(xì)胞對(duì)外界指令的響應(yīng)和處理緩慢，對(duì)治療蛋白的表達(dá)和釋放大部分都局限于轉(zhuǎn)錄或翻譯水平的調(diào)控，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)蛋白的可控快速釋放。緩慢的響應(yīng)速度帶來(lái)了兩個(gè)方面的問(wèn)題：1)不符合部分細(xì)胞需要迅速釋放蛋白質(zhì)的要求。生理狀態(tài)下，許多細(xì)胞對(duì)外界生理信號(hào)的響應(yīng)十分迅速，如胰島細(xì)胞感受血糖升高釋放胰島素；2)不適用于治療有即時(shí)用藥需求的疾病如哮喘、急性心梗、心絞痛等。
? 2023年10月23日，華東師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、上海市調(diào)控生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、醫(yī)學(xué)合成生物學(xué)研究中心葉海峰團(tuán)隊(duì)在?Nature Chemical Biology?期刊發(fā)表了題為：A?programmable protease-based protein secretion platform for therapeutic applications?的研究長(zhǎng)文。該研究開(kāi)發(fā)了精準(zhǔn)可控的蛋白質(zhì)快速釋放系統(tǒng)——PASS，通過(guò)直接調(diào)控蛋白質(zhì)的釋放而不是轉(zhuǎn)錄表達(dá)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)治療蛋白分鐘級(jí)別的可控釋放。

PASS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)靈感來(lái)自于蛋白質(zhì)的釋放和分選原理。經(jīng)典的蛋白質(zhì)釋放路徑需要經(jīng)過(guò)基因轉(zhuǎn)錄、剪接、翻譯、加工等步驟最后釋放到細(xì)胞膜外。然而，有一類(lèi)蛋白質(zhì) (如內(nèi)質(zhì)網(wǎng)功能蛋白) 經(jīng)過(guò)高爾基體加工后并不會(huì)釋放到細(xì)胞外，而是被膜衣蛋白復(fù)合體COP1的識(shí)別，重新運(yùn)輸回收定位到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上，行使相應(yīng)的生物學(xué)功能，該過(guò)程依賴(lài)于由四個(gè)氨基酸組成的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)回收信號(hào)（-KKXX-COOH，其中X表示任意氨基酸）。

根據(jù)上述原理，葉海峰團(tuán)隊(duì)研究人員將內(nèi)質(zhì)網(wǎng)回收信號(hào)KKXX融合表達(dá)在分泌蛋白的羰基末端，使目的蛋白提前翻譯好，錨定儲(chǔ)存在細(xì)胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中，以備用時(shí)之需。他們?cè)趦?nèi)質(zhì)網(wǎng)回收信號(hào)和目的蛋白之間融合了一段可以被蛋白酶識(shí)別的肽鏈，當(dāng)其被蛋白酶水解切除時(shí)，錨定在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的治療蛋白就會(huì)迅速釋放到細(xì)胞外。研究人員通過(guò)化學(xué)小分子藥物、腫瘤抗原以及光來(lái)控制蛋白水解酶活性，分別開(kāi)發(fā)了三種精準(zhǔn)可控的蛋白質(zhì)快速釋放系統(tǒng)：chemPASS、antigenPASS和optoPASS。

? 首先，他們通過(guò)小分子誘導(dǎo)的異源蛋白二聚系統(tǒng)來(lái)調(diào)控分裂版煙草蝕斑病毒蛋白酶split-TEVp的活性，開(kāi)發(fā)了三種安全無(wú)毒的小分子調(diào)控的蛋白質(zhì)快速釋放系統(tǒng)—chemPASS。他們將裝載有chemPASS基因線(xiàn)路的定制細(xì)胞移植到糖尿病小鼠體內(nèi)，當(dāng)小鼠口服臨床批準(zhǔn)的抗病毒藥物danoprevir后，僅需30分鐘就可有效誘導(dǎo)胰島素的釋放，實(shí)現(xiàn)快速降血糖效果。

接著，結(jié)合腫瘤免疫療法設(shè)計(jì)理念，研究人員開(kāi)發(fā)了腫瘤抗原激活的殺傷蛋白釋放系統(tǒng)——antigenPASS。他們將TEVp蛋白酶通過(guò)synNotch (synthetic Notch) 受體錨定在細(xì)胞膜上，當(dāng)細(xì)胞識(shí)別腫瘤抗原后，TEVp從細(xì)胞膜脫落，從而誘導(dǎo)儲(chǔ)存在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的蛋白質(zhì)快速釋放。實(shí)驗(yàn)證明，裝載有antigenPASS的免疫T細(xì)胞可精準(zhǔn)識(shí)別腫瘤細(xì)胞，快速釋放殺傷蛋白（顆粒酶、穿孔素），從而有效殺死腫瘤細(xì)胞 。

最后，研究人員通過(guò)Magnets藍(lán)光誘導(dǎo)的二聚化系統(tǒng)來(lái)調(diào)控分裂版煙草脈斑駁病毒蛋白酶split-TVMVp的活性，在PASS系統(tǒng)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)構(gòu)建了光調(diào)控的蛋白質(zhì)快速釋放系統(tǒng)—optoPASS，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程無(wú)痕、高度時(shí)空特異調(diào)控的蛋白質(zhì)快速釋放。只需要一束光，就可以誘導(dǎo)裝載有optoPASS基因線(xiàn)路的人工定制細(xì)胞快速釋放降壓肽、降糖肽、止疼肽。實(shí)驗(yàn)證明，光照15分鐘即可在糖尿病、高血壓、疼痛模型小鼠體內(nèi)發(fā)揮降血糖、降血壓以及鎮(zhèn)痛的效果。

綜上，該研究開(kāi)發(fā)的PASS系統(tǒng)具有靈活可變、快速處理外界指令，并在分鐘級(jí)別釋放蛋白藥物的特點(diǎn)，為精準(zhǔn)可控的基因治療和細(xì)胞治療提供了全新的控制遺傳學(xué)系統(tǒng)。