基于蛋白质的新型传感器可检测病毒感染，杀死癌细胞

该示意图显示了将传感器系统引入人体细胞的过程。

麻省理工学院的生物工程师设计了一种蛋白质的模块化系统，该系统可以检测细胞中的特定DNA序列，然后触发特定的反应，例如细胞死亡。

研究人员说，可以定制这种基于蛋白质的传感器，以检测哺乳动物细胞中的任何DNA序列，然后触发所需的反应，包括杀死癌细胞或感染病毒的细胞。

麻省理工学院生物工程系和医学工程与科学研究所（IMES）的Termeer医学工程与科学教授James Collins说：“在一系列重要的应用中，这可能很重要。”“这使您可以方便地设计构建体，以使程序化的细胞能够利用报告系统和/或响应系统来检测DNA并对其进行检测。”

Collins是9月21日发表在Nature Methods上的一篇论文的高级作者，该论文描述了这项技术，该技术基于一种称为锌指的DNA结合蛋白。可以设计这些蛋白质以识别任何DNA序列。

IMES博士后，论文的主要作者Shimyn Slomovic说：“目前已有的技术可以使蛋白质工程化，使其几乎可以结合所需的任何DNA序列。”“这种方法有很多用途，但用于检测的用途却很少。我们认为，利用这种可设计的DNA结合技术进行检测具有很大的潜力。”

左侧的单元格发红光，表示检测系统已成功交付。如右图所示，该系统旨在在携带病毒DNA序列的细胞中产生绿色荧光。

感官和回应

为了创建他们的新系统，研究人员需要将锌指的DNA结合能力与结果联系起来-要么打开荧光蛋白以揭示目标DNA的存在，要么在细胞内部产生另一种作用。

研究人员通过利用一种称为“内含蛋白”的蛋白质来实现这一目标，这种蛋白质可以插入较大的蛋白质中，然后将其分成两部分，这是一种短蛋白质。分裂的蛋白质块，称为“外切蛋白”，仅在内切蛋白重新结合成两半后才能发挥作用。

Collins和Slomovic决定将一个内含肽分成两部分，然后将每个部分连接到一个分开的外切蛋白一半和一个锌指蛋白上。锌指蛋白经过工程改造，可以识别目标基因中的相邻DNA序列，因此，如果它们都找到了序列，则内含肽会排成一列，然后被切掉，从而使外含半蛋白重新结合并形成功能性蛋白。extein蛋白是一种转录因子，旨在开启研究人员想要的任何基因。

在本文中，他们将绿色荧光蛋白（GFP）的产生与锌指对腺病毒DNA序列的识别联系起来，这样，任何感染了这种病毒的细胞都会发出绿色光。

这种方法不仅可以用来揭示受感染的细胞，而且可以杀死它们。为了实现这一目标，研究人员可以对该系统进行编程，以产生能够警告免疫细胞抵抗感染的蛋白质，而不是GFP。

“由于这是模块化的，因此您可能会唤起您想要的任何响应，” Slomovic说。“您可以对细胞进行编程以杀死自身，或分泌可使免疫系统将其识别为敌方细胞的蛋白质，以便免疫系统来照顾它。”

苏黎世瑞士联邦技术学院生物技术和生物工程学教授马丁·富森格格（Martin Fussenegger）将这项实验描述为“优雅的概念证明”，可以大大改善病毒感染的治疗方法。

利用DNA感应和响应系统进行工程设计的前哨设计人员细胞也许有一天能够感应并消除我们体内的病毒。这将代表抗病毒疗法的飞跃。未参与此项研究的菲森格格说。

麻省理工学院的研究人员还通过将该DNA靶标的检测与一种称为NTR的酶的产生联系起来，部署了该系统来杀死细胞。这种酶激活了一种无害的药物前体CB 1954，研究人员将其添加到了细胞生长的培养皿中。当被NTR激活时，CB 1954杀死了这些细胞。

该系统的未来版本可以设计成与癌基因中发现的DNA序列结合，然后产生转录因子，从而激活细胞自己的程序性细胞死亡途径。

研究工具

研究人员现在正在对该系统进行调整，以检测潜在的HIV原病毒，即使在治疗后，这些原病毒仍在某些受感染的细胞中处于休眠状态。了解有关此类病毒的更多信息可以帮助科学家找到永久消除此类病毒的方法。

Slomovic说：“潜在的HIV前病毒几乎是治愈AIDS的最后障碍，因为前病毒序列处于休眠状态，并且尚无任何方法可以根除，因此目前无法治愈。”

柯林斯说，尽管使用这种系统治疗疾病可能已经很多年了，但它可能会更早地用作研究工具。例如，科学家可以用它来测试遗传物质是否已经成功地传递到了科学家试图进行基因改变的细胞中。可以诱导未接受新基因的细胞死亡，从而产生所需细胞的纯种群。

它也可用于研究癌细胞中发生的染色体倒置和转座，或通过检测两个基因在染色体上彼此远离的方式是否折叠从而最终终止，从而研究正常染色体的3-D结构。研究人员说，彼此相邻。

出版物：Shimyn Slomovic和James J Collins，“哺乳动物细胞的DNA感应和响应蛋白质模块”，《自然方法》（2015年）； doi：10.1038 / nmeth.3585

图片：希恩·斯洛莫维奇（Shimyn Slomovic）