Cell：科學家發明了分子“定向進化”的快速方法

　　北卡羅來納大學醫學院的科學家們創造了一種強大的新"定向進化"技術，用于快速開發科學工具和針對許多疾病的新療法。

　　據《Cell》雜志報道，科學家們通過進化幾種蛋白質來完成精確的新任務，每次都在幾天內完成，從而展示了這項技術。現有的定向進化方法更加費力和耗時，而且通常應用于細菌細胞，這限制了這種技術在人類細胞中進化蛋白質的實用性。

　　定向進化是一種人為的、加速的自然進化過程。其理念是將進化過程集中在單個DNA序列上，使其執行特定的任務。從原則上講，定向進化可以用來制造新的療法，這種療法可以有效地阻止疾病，而且幾乎沒有副作用。關于定向進化的開創性科學研究獲得了2018年諾貝爾化學獎。

圖片來源；Cell

　　"我們所開發的是迄今為止在哺乳動物細胞定向進化方面最強大的系統，"該研究的主要作者、北卡羅來納大學醫學院藥理學博士后研究員Justin English博士說。

　　"科學界長期以來一直需要這樣一種工具，"該研究的資深作者、北卡羅來納大學醫學院藥理學教授、醫學博士Bryan L. Roth說。"我們相信，我們的技術將加速研究，最終為患有許多疾病的人帶來更好的治療，我們需要更好的治療。"

　　定向進化的廣義概念并不新鮮。幾個世紀以來，研究人員一直在用它來選擇和培育具有所需特性的動植物變種，比如果實較大的作物品種。近幾十年來，生物學家也在實驗室中使用了分子水平上的定向進化，例如，隨機變異一個基因，直到出現一個具有所需特性的變異。但從整體上看，生物分子定向進化方法一直難以應用，且應用范圍有限。

　　由Roth、English及其同事開發的新方法相對來說是快速、簡單和通用的。它使用辛德畢斯病毒作為被修改基因的載體。攜帶遺傳物質的病毒可以感染培養皿中的細胞，并迅速變異。研究人員設定了條件，使唯一能夠茁壯成長的突變基因是編碼能夠在細胞內完成所需的功的蛋白質的基因，例如激活某種受體，或開啟某種基因。由于該系統在哺乳動物細胞中工作，它可以用來進化新的人類、小鼠或其他哺乳動物蛋白，而傳統的基于細菌細胞的方法很難或不可能產生這些蛋白。

　　English和他的同事們將這種新的基因驅動序列病毒進化系統稱為"VEGAS"--Viral Evolution of Genetically Actuating Sequences。在最初的演示中，Roth的實驗室對一種叫做四環素反激活劑(tTA)的蛋白質進行了改造。tTA是一種激活基因的開關，是生物學實驗中使用的標準工具。通常情況下，如果tTA遇到抗生素四環素或與之密切相關的多西環素，它就會停止工作，但研究人員進化出了一種具有22個突變的新版本，使tTA能夠在高水平的多西環素作用下繼續工作。整個過程只用了7天。

　　English說："要了解這種方法的有效性，請考慮一下先前報道的一種應用于四環素轉活化劑的哺乳動物定向進化方法，用了4個月的時間才產生了兩種突變，而這種突變只導致了對強力霉素的部分不敏感。"

　　接下來，科學家們將VEGAS應用于一種叫做G蛋白偶聯受體(GPCR)的常見細胞受體。人類細胞上有數百種不同的GPCRs，其中許多都是現代藥物治療多種疾病的靶標。當一個給定的GPCR從不活躍狀態轉變為活躍狀態時，它是如何改變形狀的，這對于試圖創造更精確治療方法的研究人員來說是非常有趣的。English和同事們利用VEGAS快速突變了一種很少被研究的GPCR，稱為MRGPRX2，這樣它就會一直保持活躍狀態。

　　English說："識別在這種快速進化過程中發生的突變，有助于我們了解受體蛋白中參與向活躍狀態轉變的關鍵區域。"

　　在最后的演示中，該團隊展示了VEGAS更直接指導藥物開發的潛力。他們利用VEGAS快速進化出一種叫做納米抗體的小生物分子，這種分子可以激活不同的GPCR--包括血清素和多巴胺受體，它們存在于腦細胞中，是許多精神藥物的目標。

　　該團隊目前正在利用VEGAS開發高效的基因編輯工具，可能用于治療遺傳疾病，并設計能夠中和致癌基因的納米抗體。