《终结者5》lite版！华人博士生用电控制基因表达，成果登上Nature子刊

克雷西 发自 凹非寺

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施瓦辛格主演的电影《终结者5》当中，人类领袖John被改造成了半机器人。

改造之后，John的行动被机器所掌控，成为了机器的傀儡。

而现在，人类的一些生命活动，真的可以从外界来控制了，比如用电调节基因表达。

来自苏黎世联邦理工学院的华人博士生Jinbo Huang和团队研制了一种新的生物接口。

这种接口名为「直流电激活的调节技术」(DC-Actuated Regulation Technology)。

它可以通过电信号对细胞进行刺激，进而启动或暂停某个基因的表达。

现在，这项研究已经登上了Nature子刊。

那么，DART是如何实现基因表达控制的呢？

电刺激开启基因表达

基因表达的调控方式有很多种，这项研究是基于转录水平的调控进行的。

在真核生物的基因中，有被称为顺/反式作用元件的特殊序列。

这些序列不编码蛋白质，但对基因的表达起到控制作用。

我们知道，细胞所处的环境当中有大量的水和氯离子。

通入直流电时，阴阳两级分别产生氯气和氢气，同时还有自由基的产生。

自由基会与细胞内的物质发生作用，生成活性氧（ROS）。

同时在细胞内存在Keap1-Nrf2-ARE通路，其中的Keap1受体对ROS敏感。

一般情况下，Keap1和Nrf2是结合在一起的，而当ROS含量增高时，Keap1会将Nrf2释放。

Nrf2进入细胞核后会与ARE结合，而ARE就是一种顺式作用元件。

其中就包括了供RNA聚合酶识别的启动子。

ARE结合Nrf2之后被激活，转录过程开始，下游基因被表达。

比如胰岛素合成基因就是此处「下游基因」中的一种。

当电刺激消失后，ROS水平也随之下降，相关通路关闭，基因表达停止，实现了操作的可逆性。

或可用于1型糖尿病治疗

实验中，研究人员让1型糖尿病模型小鼠重新分泌了胰岛素。

不过这一过程使用的并非小鼠自身的胰岛B细胞，而是人源细胞。

此中包括了人胚肾细胞系(HEK293)和人间充质干细胞系(hMSC)。

其中HEK293用于DART系统的构建、测试和调节，而hMSC则是测试的靶细胞。

通过基因工程方式，研究人员让结合了TERT的hMSC细胞系(hMSC-TERT)表达胰岛素基因。

该细胞系具有能同时进行增殖和分化的特点，是基因相关研究中常用的细胞。

研究人员把这种细胞植入小鼠的背部，然后通过电流进行刺激。

结果，这些hMSC细胞成功地分泌出了胰岛素。

研究团队每天用4.5V的直流电源对小鼠背部施加10秒钟的刺激。

结果在连续四周之内，实验组小鼠体内的胰岛素含量均显著高于对照组。

且在前两天内血糖迅速下降至接近正常水平，并在接下来的四周中保持稳定。

对小鼠糖化血红蛋白(HbA1c)水平的监测结果也显示，在电刺激4-6周后接近了正常水平。

HbA1c是一项用于衡量一段时间内整体血糖水平的指标，可以排除单点血糖值的偶然因素。

上述实验结果表明，将这项技术用于1型糖尿病治疗的理论基础是存在的。

接下来的工作，就是找到适合人类的调控参数和植入方式。

如果能够成功，甚至把DART接入互联网，远程的基因和细胞的疗法将成为可能。

当然，治疗疾病只是DART的潜在应用之一，今后也许还有更多的用法。

我们不妨期待一下DART落地的那一天。

论文地址：
https://www.nature.com/articles/s42255-023-00850-7
参考链接：
https://www.vice.com/en/article/g5yjnx/scientists-control-human-dna-with-electricity-in-leap-forward-study-reports