原儿茶酸基因网络调控系统的设计、构建及其用于肥胖治疗的研究

Synthetic biology has significantly advanced the rational design of trigger-controlled gene circuits that can reprogram cell activities and provide novel therapeutic strategies for future gene- and cell-based therapies. In this study, we aim to construct a protocatechuic acid (PCA) regulated transgene expression system for obesity treatment. First, capitalizing on the principle of synthetic biology and engineering, we can design and create novel gene circuits with new function by integrating well-studied gene modules. Second, the PCA regulated synthetic gene device could be uploaded into mammalian cells to study the tunability and reversibility of transgene expression controlled by PCA. Third, the microencapsulated mammalian cells containing the PCA-trigger device could be further implanted into mice and study the transgene expression kinetics triggered by PCA. Lastly, obesity model mice implanted with Fc-adiponectin expression circuits regulated by PCA and treated by either intraperitoneal injection of PCA or oral administration of PCA or green tea, we can study the fatty acids and glucose levels in the blood and achieve the purpose of obesity treatment. Synthetic gene switches using food metabolites as trigger compounds provide new opportunities for future gene- and cell-based therapies to improve human health.

利用合成生物学原理可以设计出多种基因环路调控系统，这些调控系统可用于细胞行为重编程，从而为未来基于基因和细胞的生物治疗提供新策略。本项目利用合成生物学手段设计、构建原儿茶酸(PCA)调控转基因表达基因环路并用于肥胖治疗。首先，利用合成生物学和工程学设计理念，把相关基因模块合理组装成一个PCA调控的网络控制元件；其次，将此合成控制元件上载到哺乳动物细胞中并研究PCA调控基因表达的可调性、可逆性等动力学特征；再次，利用细胞微囊包裹技术将含有该控制元件的工程化动物细胞移植到小鼠体内，并研究该控制元件在PCA的调控下，小鼠体内的基因表达动力学特征；最后，通过肥胖小鼠腹腔注射PCA或口服PCA、绿茶调控体内融合蛋白Fc-Adiponectin的表达，降血脂、降血糖达到治疗肥胖的目的。本研究提出的以人工构建PCA调控的肥胖治疗基因环路为基础的细胞治疗策略，将为人类健康提供新途径。

近年来，合成生物学致力于构建精巧的基因环路调控系统，这些调控系统可通过控制细胞的重编程行为而被更好地应用于基因、细胞治疗中。本项目借助合成生物学的设计手段构建了原儿茶酸调控的基因表达平台，并将其应用于基因编辑、逻辑运算以及糖尿病治疗。首先，通过优化启动子、操纵子拷贝数等条件获得了调控效果最佳的原儿茶酸调控的“开”和“关”系统；其次，原儿茶酸调控系统上载至哺乳动物细胞和小鼠体内均具有微调性和可逆性等基因表达动力学特征。最后，原儿茶酸调控系统成功应用于以下几方面：（1）通过系统模块组合所构建的原儿茶酸调控的CRISPR装置在哺乳动物细胞内能调控靶基因的抑制、激活以及删除；（2）原儿茶酸与香草酸调控系统所构建的生物计算机能在细胞内进行精准的运算，为未来生物计算机的发展提供了选用模块组件；（3）原儿茶酸调控胰岛素和胰高血糖素表达的基因环路分别在1型和2型模型鼠中具有良好的降血糖功效，实现了原儿茶酸摄入便可降血糖的理念。本项目合成的原儿茶酸调控系统不仅提供了一种能精确调控转基因表达的新方法，而且实现了只需口服原儿茶酸或饮用绿茶便能治疗糖尿病的新概念，转变了打针吃药的传统治疗方式，开辟了糖尿病治疗的新途径。