Cell：夏時雨等開發合成蛋白回路，可編程控制細胞凋亡和焦亡

　　細胞凋亡（Apoptosis）和細胞焦亡（Pyroptosis）等自然死亡途徑具有雙重作用——它們通過抑制或刺激炎癥來消除有害細胞，并調節免疫系統。在靶細胞中觸發特定細胞死亡程序的合成蛋白回路同樣可以在適當調節免疫反應的同時清除有害細胞。

　　然而，細胞響應自然信號積極影響其死亡模式，使得控制死亡模式具有挑戰性。

　　加州理工大學Michael Elowitz教授、夏時雨博士等在國際頂尖學術期刊 Cell 上發表了題為：Synthetic protein circuits for programmable control of mammalian cell death 的研究論文。

　　在這項研究中，研究團隊開發了一種合成蛋白水平細胞死亡回路——Synpoptosis回路，該回路通過水解調控細胞死亡執行蛋白，從而控制哺乳動物細胞凋亡和細胞焦亡。此外，該回路可以使用病毒樣顆粒（VLP）遞送并在細胞間傳遞，這為工程合成殺傷細胞提供了基礎，這些殺傷細胞在靶細胞中誘導所需的死亡程序而不會自我毀滅。總之，這些結果為哺乳動物細胞死亡的可編程控制奠定了基礎。

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　　哺乳動物系統（包括人類）使用不同的細胞死亡程序來消除有害細胞并形成免疫力。細胞凋亡（Apoptosis）在免疫上是“冷的”，相比之下，細胞焦亡（Pyroptosis）在免疫學上是“熱的”，涉及損傷相關分子模式（DAMP）的大量釋放。

　　細胞凋亡和細胞焦亡各有優勢，具體取決于免疫環境。細胞焦亡的免疫刺激性可促進細胞殺傷。例如，在15%的少數細胞中誘導細胞焦亡足以通過增強抗腫瘤免疫來清除整個腫瘤。與此一致的是，細胞焦亡的執行者gasdermin（GSDM）蛋白家族的表達與癌癥患者的生存呈正相關，并且細胞毒性淋巴細胞（CTL）上調癌細胞中GSDM的表達。為了逃逸細胞焦亡，癌細胞產生失活型GSDM突變，沉默GSDM的表達，并表達非焦亡型GSDM變異體。但如果過度觸發細胞焦亡，則可導致病理性炎癥。因此，可控地誘導細胞凋亡或細胞焦亡并調節它們的相對頻率是可取的。

　　現有的細胞殺傷方法不能完全指導細胞死亡方式。細胞毒性藥物通常僅限于觸發冷腫瘤的細胞凋亡。CAR-T細胞可以有效靶向表達單一抗原或多種抗原的細胞。然而，為了殺傷靶細胞，CAR-T細胞通常使用顆粒酶，而顆粒酶可能會誘導細胞凋亡或焦亡。也有研究嘗試過不依賴顆粒酶的方法，包括工程化TRAIL-呈遞細胞和調節caspases、BID或BAX的合成回路。然而，這些方法同樣局限于誘導細胞凋亡。

　　為了實現對細胞死亡的定制控制，我們需要一組具有以下特征的合成回路：

　　第一，這些回路應該允許細胞凋亡和細胞焦亡的激活和抑制。

　　第二，它們應該在各種細胞環境中引導細胞死亡模式。

　　第三，它們應該允許對多個輸入信號進行整合和計算。

　　第四，它們應該能夠選擇性地殺死靶細胞。

　　第五，它們應該支持細胞間的傳播，從而有可能改造合成殺傷細胞，利用設計好的死亡程序消除其他細胞。

　　在這項研究中，研究團隊提出了具有上述特征的合成蛋白水平細胞死亡回路——Synpoptosis回路。為了設計這些回路，研究團隊從利用調節蛋白水解以及蛋白水平的籠合和降解機制的自然細胞死亡途徑中獲得了靈感。Synpoptosis回路為理性設計、可編程控制哺乳動物細胞死亡提供了基礎。

　　具體來說，細胞凋亡相關的半胱天冬酶（caspase）會促進細胞凋亡，同時它還能通過裂解細胞焦亡蛋白GSDM在細胞焦亡中打孔。煙草蝕紋病毒蛋白酶（TEVP）可以激活修飾的caspase-3，為了實現更復雜的下游細胞凋亡控制功能，研究團隊設計了額外的caspase-3變體，可以通過TEVP裂解調節其細胞凋亡活性。接下來，研究團隊設計對細胞焦亡的調控，將TEVP、煙草葉脈斑狀病毒蛋白酶（TVMVP）和丙型肝炎病毒蛋白酶（HCVP）的切割位點插入到3種哺乳動物GSDM的N端和C端結構域之間的連接區域,在同源蛋白酶存在的情況下，每個工程化GSDM都有效觸發細胞焦亡，研究團隊在后續實驗中聚焦于GSDMA，與caspase-3一樣，研究團隊設計了額外的GSDM變體，可以對細胞焦亡進行正向和負向控制。這種合成蛋白回路可以雙向調控細胞凋亡和細胞焦亡。接下來，研究團隊使用該蛋白回路讓易凋亡細胞焦亡，讓易焦亡細胞凋亡，從而在各種細胞環境中的細胞死亡模式，調整細胞凋亡和細胞焦亡之間的比率。

　　此外，該蛋白回路可以使用病毒樣顆粒（VLP）遞送并在細胞間傳遞，這為工程合成殺傷細胞提供了基礎，這些殺傷細胞在靶細胞中誘導所需的死亡程序而不會自我毀滅。總之，這些結果為哺乳動物細胞死亡的可編程控制奠定了基礎。

　　哺乳動物系統根據細胞狀態和期望的免疫結果觸發特定的細胞死亡程序。同樣，如果能夠以正確的方式殺死正確的細胞，許多治療難題都可以得到解決。例如，Synpoptosis回路可被遞送至腫瘤，以安全增強抗腫瘤免疫的方式有條件地誘導癌細胞死亡。該回路還可用于消除發揮其他有害作用的細胞，例如衰老細胞、纖維化細胞、自身免疫細胞和受感染細胞，并可在適當的免疫刺激下做到這一點。