施瓦辛格主演的電影《終結(jié)者 5》當(dāng)中，人類領(lǐng)袖 John 被改造成了半機(jī)器人。改造之后，John 的行動(dòng)被機(jī)器所掌控，成為了機(jī)器的傀儡。

而現(xiàn)在，人類的一些生命活動(dòng)，真的可以從外界來(lái)控制了，比如用電調(diào)節(jié)基因表達(dá)。

來(lái)自蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的華人博士生 Jinbo Huang 和團(tuán)隊(duì)研制了一種新的生物接口。這種接口名為「直流電激活的調(diào)節(jié)技術(shù)」(DC-ActuatedRegulationTechnology)。

它可以通過(guò)電信號(hào)對(duì)細(xì)胞進(jìn)行刺激，進(jìn)而啟動(dòng)或暫停某個(gè)基因的表達(dá)。

現(xiàn)在，這項(xiàng)研究已經(jīng)登上了 Nature 子刊。

那么，DART 是如何實(shí)現(xiàn)基因表達(dá)控制的呢？

電刺激開(kāi)啟基因表達(dá)

基因表達(dá)的調(diào)控方式有很多種，這項(xiàng)研究是基于轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控進(jìn)行的。在真核生物的基因中，有被稱為順 / 反式作用元件的特殊序列。這些序列不編碼蛋白質(zhì)，但對(duì)基因的表達(dá)起到控制作用。

我們知道，細(xì)胞所處的環(huán)境當(dāng)中有大量的水和氯離子。

通入直流電時(shí)，陰陽(yáng)兩級(jí)分別產(chǎn)生氯氣和氫氣，同時(shí)還有自由基的產(chǎn)生。自由基會(huì)與細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)發(fā)生作用，生成活性氧（ROS）。同時(shí)在細(xì)胞內(nèi)存在 Keap1-Nrf2-ARE 通路，其中的 Keap1 受體對(duì) ROS 敏感。

一般情況下，Keap1 和 Nrf2 是結(jié)合在一起的，而當(dāng) ROS 含量增高時(shí)，Keap1 會(huì)將 Nrf2 釋放。

Nrf2 進(jìn)入細(xì)胞核后會(huì)與 ARE 結(jié)合，而 ARE 就是一種順式作用元件。其中就包括了供 RNA 聚合酶識(shí)別的啟動(dòng)子。ARE 結(jié)合 Nrf2 之后被激活，轉(zhuǎn)錄過(guò)程開(kāi)始，下游基因被表達(dá)。比如胰島素合成基因就是此處「下游基因」中的一種。

當(dāng)電刺激消失后，ROS 水平也隨之下降，相關(guān)通路關(guān)閉，基因表達(dá)停止，實(shí)現(xiàn)了操作的可逆性。

或可用于 1 型糖尿病治療

實(shí)驗(yàn)中，研究人員讓 1 型糖尿病模型小鼠重新分泌了胰島素。不過(guò)這一過(guò)程使用的并非小鼠自身的胰島 B 細(xì)胞，而是人源細(xì)胞。

此中包括了人胚腎細(xì)胞系 (HEK293) 和人間充質(zhì)干細(xì)胞系 (hMSC)。其中 HEK293 用于 DART 系統(tǒng)的構(gòu)建、測(cè)試和調(diào)節(jié)，而 hMSC 則是測(cè)試的靶細(xì)胞。

通過(guò)基因工程方式，研究人員讓結(jié)合了 TERT 的 hMSC 細(xì)胞系 (hMSC-TERT) 表達(dá)胰島素基因。該細(xì)胞系具有能同時(shí)進(jìn)行增殖和分化的特點(diǎn)，是基因相關(guān)研究中常用的細(xì)胞。研究人員把這種細(xì)胞植入小鼠的背部，然后通過(guò)電流進(jìn)行刺激。結(jié)果，這些 hMSC 細(xì)胞成功地分泌出了胰島素。

研究團(tuán)隊(duì)每天用 4.5V 的直流電源對(duì)小鼠背部施加 10 秒鐘的刺激。結(jié)果在連續(xù)四周之內(nèi)，實(shí)驗(yàn)組小鼠體內(nèi)的胰島素含量均顯著高于對(duì)照組。且在前兩天內(nèi)血糖迅速下降至接近正常水平，并在接下來(lái)的四周中保持穩(wěn)定。

對(duì)小鼠糖化血紅蛋白 (HbA1c) 水平的監(jiān)測(cè)結(jié)果也顯示，在電刺激 4-6 周后接近了正常水平。HbA1c 是一項(xiàng)用于衡量一段時(shí)間內(nèi)整體血糖水平的指標(biāo)，可以排除單點(diǎn)血糖值的偶然因素。

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，將這項(xiàng)技術(shù)用于 1 型糖尿病治療的理論基礎(chǔ)是存在的。接下來(lái)的工作，就是找到適合人類的調(diào)控參數(shù)和植入方式。

如果能夠成功，甚至把 DART 接入互聯(lián)網(wǎng)，遠(yuǎn)程的基因和細(xì)胞的療法將成為可能。當(dāng)然，治療疾病只是 DART 的潛在應(yīng)用之一，今后也許還有更多的用法。

我們不妨期待一下 DART 落地的那一天。

論文地址：

• https://www.nature.com/articles/s42255-023-00850-7

參考鏈接：

• https://www.vice.com/en/article/g5yjnx/scientists-control-human-dna-with-electricity-in-leap-forward-study-reports

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的《终结者 5》Lite 版：华人博士生用电控制基因表达，成果登上 Nature 子刊的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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