【Fudan iGEM 2018】第二期：我们今天聊聊合成生物学中的“神迹”-II

【Fudan iGEM 2018 科普第二期】

上一期我们简单了解了重新编制细胞命运的CRISPR系统以及被奴役的大肠埃希菌家族。

而今天便来到“科普系列”总论的第二章，在这里，我们将目睹CAR-T带着“绝对命中”的意志刺向肿瘤、以及合成生物学家“再创新生命”。

诸神黄昏之时，奥丁掷出冈格尼尔之枪，划越苍穹，如彗星袭落，带着审判将恶狼芬里尔牢牢钉死。

世间没有冈格尼尔无法命中的目标。

肿瘤隐于茫茫细胞之间，嘲弄人类。

终于，我们找到了自己的冈格尼尔，缓缓举起，掷向肿瘤。

诸神黄昏，奥丁手持绝对命中之枪—冈格尼尔

人头颅之上，永有一把达摩克利斯之剑，寒光闪闪而高悬，我们谓之“肿瘤”。

免疫系统，抵御了大多数外界病原体，却独对肿瘤无可奈何。“最大的敌人是自己”不幸一语成谶，与正常细胞同源的癌细胞，却是人类免疫系统最大的“破壁人”（小说《三体》中的致命宿敌代称）。

少量的肿瘤细胞被免疫细胞“擦肩而过”，而发展中肿瘤细胞的免疫逃逸，“贿赂、欺骗”各种手段层出不穷，待肿瘤大量增殖时，免疫系统只能是是“束手无策”。

人自身免疫系统在肿瘤面前显得不堪一击，直到“Stevie Wonder”的出现，人类在肿瘤治疗的幽暗昏惑中，看到了远方仿佛若有光。

“T细胞是可以识别肿瘤的，只是这类T细胞太少了”，带着这个信念，Steven Rosenberg开始尝试向患者体内输入培养的T细胞。在66位患者身上实验失败后，wonder出现在第67号患者 [1]。虽然该疗法很快被淘汰，但人类终于颤巍巍地在CAR-T之路上踏上了第一只脚。

Patrick Hwu作为Steven Rosenberg的学生，开始尝试在T细胞内表达外源基因，很不幸他的尝试没有任何结果，但是却将Zelig Eshhar引向了CAR-T的大门之前。Zelig Eshhar站在CAR-T大门前，隐约中，门缝透出丝丝光亮，他在等待一个灵感的出现——

Steven Rosenberg到Patrick Hwu再到Zelig Eshhar，人们始终怀着对根治肿瘤的信仰

T细胞受体(T cell receptor, TCR)的相似的结构，共有的抗原识别功能，而且表达抗体和TCR的基因更是属于同一个基因家族。

一切巧合到仿佛是命运早有预谋的故意安排，只是在等待Zelig Eshhar的灵光一现。

如果将TCR的可变区替换为抗体的可变区会发生什么呢？是否会将抗体的抗原特异性转移到T细胞上呢？

命运再次眷顾，Eshhar成功证明了该嵌合抗原受体 (chimeric antigen receptor, CAR) 受体具有类似该抗体的特异性，并与Hwu合作，成功在黑色素瘤以及乳腺癌中证明了第一代CAR-T的有效性，并在1993年公布了实验数据 [2]。

1993年Hwu与Eshhar联合发表文章，CAR-T史上的里程碑

第一代CAR-T虽然为人们在肿瘤免疫治疗方向注入了一剂强心针，但随后人们发现CAR-T细胞却无法有效扩增，CAR-T也就由万众期待陷入了沉寂。直到Michel Sadelain在CAR-T中表达了共刺激分子CD28，CAR-T才可以被用于实际的肿瘤治疗中。2010年，Rosenberg实验室成为了第一个公布CAR-T临床试验结果的团队 [3]。随后的几年，CAR-T在临床实验中捷报连连 [4-6]。

CAR-T高速发展中的四篇大佬级临床试验报告

2012年，7岁的Emily Whitehead的急性淋巴细胞白血病（ALL）到了失控的边缘，绝望中的Emily的父母报名了June团队的CD19 CAR-T疗法临床试验。在输入了CAR-T不到六个小时，Emily出现了严重的发热，体内的IL-6高出正常值近一千倍，几近死亡，June在无可奈何之下，尝试性地为Emily输入了IL-6抑制剂tocilizumab，幸运再次光临，在跌宕起伏之中，Emily最终化险为夷，一个月后的骨髓检查，Emily体内癌细胞奇迹般地消失了。

与其说CAR-T疗法拯救了Emily，不如说是两者的相互成全

——因为这个临床试验一旦失败，处于质疑浪尖的CAR-T将永无翻身之日。

Emily的ALL之治愈，将CAR-T从质疑边缘拉回

将能识别特定种类肿瘤特异性抗原的抗体的抗原结合部，TCR中原有的CD3-ζ链或FcεRIγ的胞内部分，将二者通过合成生物学方法，偶联为一个嵌合蛋白——嵌合抗原受体(CAR)，把新组合的片段转入T细胞中并使其表达。患者的T细胞被如此“重编码”后，便具有了特异性识别并消灭肿瘤的能力。

CAR-T构建原理

而目前CAR-T已经发展到了第四代，而且是一代更比一代强。第一代CAR-T激活和增殖需要共刺激信号，显得十分笨拙，而且只能引起短暂的T细胞增值和较低的细胞因子分泌；第二代以及第三代CAR-T引入了共刺激分子信号序列（costimulatory molecule，CM），T细胞的细胞毒活性、增殖性与存活时间都得到了长足的进步；而第四代CAR-T可能将会共表达细胞因子，以希望招募并活化更多的免疫细胞而引起更为广泛的抗肿瘤免疫效应 。

三代的CAR的构造 [7]

而随着更加特异的肿瘤标记被陆续发现，我们有理由相信，CAR-T只是方兴未艾，未来的CAR-T之强大可能远超我们想象。

地是空虚混沌，渊面黑暗；

神的灵运行在水面上。

创世纪开始于上帝说——“要有光”

完成于人类诞生，天地从此有灵。

人类学会了创造光，学会发电；

人类用化学合成物质；

现在，人们开始掌握生物学。

有人说，物理尽头是数学，数学尽头是哲学，哲学的尽头是神学。

那么抬头向上望去呢？

物理学大厦上，化学的丰碑正在耸立，而化学丰碑上描绘的，不就是生命的多彩吗？

创世纪壁画——米开朗琪罗

大爆炸后，宇宙中游荡的，是幽灵般的氢核——单质子。它们是万物分解到极致的骸骨，亦是万物新生的温床；它们碰撞，氢便诞生，于是恒星可以炽烈；于是氢生碳、碳生氮氧；

于是元素相聚，便有了物质，于是气动水涌，岩积山起，星云相映；终于，多聚体渐渐产生，生命迎来了黎明。

生命产生于无中生有，这本就是一场神迹

从原子到小分子再到生命大分子，最终生命出现，是谁在操控？

1789，法国大革命，《人权宣言》发表，但很少有人注意到，同年另一篇由Atoine Lavoisier（对，就是那个现代化学之父）发表的《Traité Élémentaire de Chimie》上，出现了人类历史上第一张元素表，化学开始与物理齐头并进，人类科技飞般突进，但是一切学科似乎与生命之间都有着一道不可逾越的鸿沟，无机物和有机物似乎是处于两个世界的物质。

Atoine Lavoisier与他的妻子以及他的小火炉和元素表

1828年，Friedrich Wohler在这道鸿沟边缘反复徘徊试探后，跨出了历史性的一步——并没与预想中的深渊万丈，Wohler踏上了一座桥，并到达了生命科学的彼岸。

这座桥叫作尿素，1828年，利用氰胺酸（不经意）合成了尿素，Wohler成为了第一个利用无机物合成有机物的人。

但这座桥梁是如此纤细脆弱，根本不足以承载人们对合成有机物质的信仰。二十年后，一位叫Louis Pasteur的年轻人首次提取了手性分子，同时观察到——单一的手性是所有生命体分子构成的一大特征，而人工只能合成两种手性的混合体。这使得他成为了“所有生命来自生命”的忠实拥趸，人工合成有生命物质遭受前所未有的打击。

直到百年后，1971年，Kagen利用Le Bel提出的圆偏振光的不对称合成法合成了单手性的螺烯，“人工是否能够合成生命所产生的有机物质”的争论才尘埃落定。

Friedrich Wohler到Louis Pasteur再到Le Bel，生命“诞生”于化学

也许是天意，此时的生命科学已经渐露峥嵘，这一年，加利福尼亚大学医学中心的科学家首次合成了人的生长激素。就在六年前，我国自主合成了牛胰岛素。

从简单的元素到激素，不经意间，人类近两个世纪的工作连为一线，光辉灿烂，一如神话中的通天的巴别塔，其上铭刻着人们最大的野心——

如果我们取代“上帝”，从简单的原子开始，重头合成生命，会怎样？

但人类还在等待着最后一块巨石，来为这座塔搭建最后一阶——合成一个生命。

终于，在漫长等待了近40年后，Craig Venter带领他的团队用全化学合成的方法合成了丝状支原体的完整基因组——JICVI-syn1.0，在将这个基因组转入另一个支原体空壳后，新的支原体产生并顺利存活了下来 [7]。

Craig Venter与他的JCVI-syn1.0

而此时，一位叫作George Church的科学家却将眼光投向了更远的地方。前文的一句话将在这里被再度提及——单一的手性是所有生命体分子构成的一大特征。

这句话在合成化学的上空飘荡了近一个世纪后，又缓缓降临到了合成生物学的上空。不过这次不同，它不再是带着否决与诅咒的阴云，而是投下了新的希望之光。

因为消旋酶的存在，生命体中只存在单一的手性分子，即左手手性分子。

既然我们能合成手性分子，又可以由原子开始，不断合成，直到产生一个能再培养基中“游荡”的细胞，那么，我们只需要改变最开始的原料的组合方式，选用右手手性的分子，一切不就又顺理成章了吗？就像帮“上帝”给生命照了个镜子。

而如果我们可以合成镜像生命，最显而易见的好处之一便是——新的镜像生命对目前所有的细菌病毒绝对的免疫。

当然，这背后潜在的风险也不得不令人们三思而后行——

最显而易见的是，我们也要和益生菌说拜拜了（如果要对所有细菌的绝对免疫，那么我们也将会告别所有发酵类食品！！！）

小编最崇拜的George Church与他心心念的镜像生命

总（瞎）论（写）结（的）语（话）

神学的辉煌，照映哲学的诞生

哲学的思辨，预言数学的繁荣

数学的集聚，肩筑物理的巨梁

物理的支撑，高耸化学的大厦

而生命就像是一座城

城中，化学大厦交错掩映，林立万顷

核酸迭代，蛋白交接，通道翕张，兴奋涌起

本就是化学反应

而当生命科学日益发展

人们不知何时，再次触摸到了神学

一切仿佛返于最初

如此，循环，往复

（记得复附宣讲卖得关子吗？就是这个）

参考文献

 [1]Rosenberg SA, et.al. N Engl J Med. 1985 Dec 5;313(23):1485-92.

 [2]Hwu P,et.al. J Exp Med. 1993 Jul 1;178(1):361-6.

 [3]Kochenderfer JN,et.al. Blood. 2010 Nov 18;116(20):4099-102.

 [4]Kalos M,et.al. Sci Transl Med. 2011 Aug 10;3(95):95ra73.

 [5]Porter DL,et.al. N Engl J Med. 2011 Aug 25;365(8):725-33. 

 [6]Brentjens RJ,et.al. Sci Transl Med. 2013 Mar 20;5(177):177ra38.

 [7]June CH,et.al. Science. 2018 Mar 23;359(6382):1361-1365. 

 [8]Gibson DG,et.al. Science. 2010 Jul 2;329(5987):52-6. 

本期我们介绍了后两种技术，CAR-T百发百中，合成生物学家“再创”生命。（小编的内外科考依旧没有开始，离解放还有十万八千里，下期拖稿有理！）

前两期只是做简单的引入，比起科普我更愿意将其称作是带领大家走进合成生物学的一张导游路线。那么第三期开始，我们将开始详细讨论这些技术的细节部分。

大家有任何疑问欢迎在留言中提出~我们定知无不言言无不尽！！！