利用合成生物学方法设计类免疫细胞

  Introduction

1、耐甲氧西林金色葡萄球菌

       金黄色葡萄球菌(SAU)是临床上感染的常见病原菌，它能够引起多种疾病，包括一些足以致命的疾病，如败血症、肺炎、骨髓炎、心内膜炎、脑膜炎等。随着上世纪40年代青霉素问世以后，SAU感染得到了较好的控制。但随着半合成青霉素——甲氧西林被广泛应用，英国于1961年首次出现了耐甲氧西林金色葡萄球菌(MRSA)。直到20世纪80年代，MRSA感染几乎遍及全球，成为临床上最常见的病原菌之一，并与乙型肝炎、艾滋病并称为当今世界三大感染顽疾。事实上，在美国，每年约有19000人死于MRSA感染，这比死于艾滋病、肝炎、流感的总人数还要多。

       治疗MRSA感染最大的障碍之一就是植入物相关感染(implant-associated infections, IAIs)，这种感染极难治愈。当外源植入物进入人体，MRSA能够附着在植入物表面并形成生物膜，使其对抗生素的敏感度降低1000倍左右。

       受体分子和配体相互接配后启动信号转导，细胞外信号被转换成细胞内生化反应，引起基因的转录激活和产物表达。参与免疫细胞信号转导的分子主要有三类：蛋白激酶、衔接蛋白和转录因子。

（1）蛋白激酶 (Kinase)

       蛋白质多肽链上的氨基酸残基可以发生磷酸化和去磷酸化，二者为可逆过程。若相关的酶发生磷酸化，则可使其处于激活状态；若信号转导过程中的衔接蛋白和信使分子发生磷酸化，则可促进其参加后续的信号转导级联反应。主要的蛋白激酶有酪氨酸(Tyr)蛋白激酶和丝氨酸/苏氨酸(Ser/Thr)蛋白激酶，前者以蛋白质的酚羟基作为磷酸根受体，后者以羟基作为磷酸根受体。

①Tyr蛋白激酶：

作为一种细胞表面的酶联受体，其特征为：       

1)都是单次跨膜蛋白，胞内段具有Tyr激酶活性，且具有不同的酪氨酸残基自身磷酸化位点；

2)具有相同的活化机制，即受体二聚体化；

3)受体的胞内段激酶或胞内段结合的激酶交叉磷酸化，为下游信号蛋白提供锚定位点。

②Ser/Thr蛋白激酶：

除了参与共刺激信号的启动之外，这类激酶一般在信号转导中下游起作用。由于胞内信号转导途径具有相互“串流”(cross-talk)的特点，处于下游的Ser/Thr蛋白激酶常为各种免疫细胞介导的信号途径所共用。

（2）转录因子：又称核因子或反式作用蛋白，通常以未激活形式游离于胞质，一旦激活即进入细胞核，与相应基因启动子区特定DNA序列(DNA box)，即顺式作用元件结合，最终激发通用转录复合体(GTC)，启动基因转录。

（3）衔接蛋白：参与细胞活化中胞内信号的整合和传递；MyD88是典型TLR信号转导中的衔接蛋白。

       Toll样受体(Toll-like Receptor)是模式识别受体中主要的一个家族，因与果蝇中Toll受体结构相似而得名。其胞外结构域由16-25个前后相连的片段组成每个片段包括20-30个氨基酸残基，带有保守的亮氨酸重复序列(LRR)。整个胞外机构域弯曲成马鞍状，其中的LRR为配体(PAMP)结合区。胞内段称为Toll/IL-1受体结构域(TIR)，带有三个保守的氨基酸序列，称为1、2、3小盒(box)。借此，该 TIR可以与细胞内其他带有相同TIR结构域的分子相互作用，传递信号。

       经典的TLR信号通路中首先出现的是衔接蛋白髓样分化因子(MyD88)，它带有与TLR胞内段相同的TIR结构域，能够与TIR发生嗜同型相互作用，启动信号转导。此外，MyD88的另一端还具有一个死亡结构域(DD)，同样可以通过同型互作招募其他具有DD结构域的分子，如蛋白激酶IRAK4(IL-1R-accociated kinase 4)和IRAK1。二者组合并招募泛素连接酶TRAF6(TNFR-associated factor 6)，导致蛋白激酶TAK1(TGF-β-activated kinase 1)和两种TAK结合蛋白(TAK1和TAK4)形成复合体，进而激活下游的两条信号转导途径，最终激活转录因子NF-ΚB与AP-1。NF-ΚB和AP-1进入细胞核，激活相关基因表达。

  Design 

在此项研究中，研究者们设计了一种能够快速识别并杀死MRSA的类免疫细胞。它能表达TLR1、2、6（识别革兰氏阳性菌细胞壁的脂磷壁酸）和CD14（协助识别）作为MRSA的感受器；并含有受NF-ΚB和AP-1激活的表达溶葡球菌酶（一种可以特异性识别金色葡萄球菌细胞壁上交联的聚甘氨酸桥的肽链内切酶，并能阻止菌膜形成）的质粒，以此达到杀灭MRSA的目的。

 Conclusion

相比于常规的治疗药物万古霉素，人工设计的类免疫细胞减少了91%的MRSA 生物膜产生，并达到了针对MRSA感染小鼠的100%治愈率。毋庸置疑，这为滥用抗生素导致的“后抗生素时代”提供了新的治疗思路。

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