合成细胞通讯系统，可控制细胞密度
细胞增殖作为生物体的重要生命特征，是生物生长、发育、繁殖以及遗传的基础。多细胞生物可以通过细胞分裂的方式产生新细胞，用于替换体内衰老或死亡的细胞。除此之外，细胞还可以通过细胞间的通讯系统，主动感知和控制种群密度。2022年3月1日加州理工学院Michael B.Elowitz等人利用基因工程技术设计了人工合成的细胞通讯系统，旨在揭示控制种群密度的原理以及改进现有的细胞疗法。其研究结果发表在名为”Synthetic mammalian signaling circuits for robust cell population control”的文章中。
理想的专用通讯系统要求Sender细胞产生的信号特异性地作用于Receiver细胞的目标蛋白，并且该过程应当确保不会对改造前的宿主细胞产生影响。接着对上述通讯系统进行改进，设计出了Sender-Receiver细胞，它能根据感应到的种群密度做出特定的反应。最后，在此基础上使Sender-Receiver细胞产生的信号抑制细胞增殖，进而控制种群密度。生长素作为一类植物特有的激素，不会与改造前的宿主细胞发生相互作用，能够外部控制信号强度，适用于多种细胞类型，能快速调节不同目标蛋白的活性，具有较低的免疫原性等。研究结果显示，通过基因工程设计的Receiver细胞能受到生长素的调控。Sender-Receiver细胞能在IAM(含PIN2)或NAM两种生长素存在的情况下，根据种群密度控制BlastR基因表达，从而实现对种群密度的感知，而且其不受到细胞绝对数量的影响。而且IAM在高种群密度下能诱导Sender-Receiver-PIN2细胞死亡。在上述研究的基础上，考虑了细胞发生基因突变后引起的逃逸反应——即当细胞对生长素不再敏感时，BlastR能使细胞免受blasticidin S的伤害并持续增殖。作者对上述细胞模型加以改造得到了“矛盾”的控制系统Paradaux，其基本思路为同时抑制细胞的增殖和凋亡来维持种群密度。实验结果表明，与对照组细胞、Sender-Receiver细胞(负反馈组)相比，Paradaux组细胞存活时间延长并且能在更长的时间内保持种群密度的稳定。
综上，在哺乳动物细胞中设计了一种方法产生和响应生长素，并将其与控制细胞增殖和凋亡的基因相联系，从而调控种群密度。该通讯系统为设计多种类型细胞间的通讯和控制系统提供了可能性。此外，种群感知与控制可以用于改进工程细胞疗法，使细胞在特定的靶标位置被激活。
参考文献：Ma Y, Budde MW, Mayalu MN, et al. Synthetic mammalian signaling circuits for robust cell population control. Cell. 2022;185(6):967-979.e12. doi:10.1016/j.cell.2022.01.026
撰写人:崔莹莹/常伟