一种远程调控的基因环路系统在治疗糖尿病中的应用技术方案

本发明专利技术公开了一种远红光基因环路表达控制系统，包括感受远红光光源的光感受器；处理所述光感受器所传递信号的处理器；及应答所述处理器所传递信号的效应器。本发明专利技术还公开了一种基因环路远程调控系统，包括所述远红光基因环路表达控制系统；用于发出远程控制指令的控制装置；以及远红光光源装置。本发明专利技术还公开所述远红光基因环路表达控制系统以及所述基因环路远程调控系统在治疗糖尿病中的应用。本发明专利技术还公开了含所述远红光基因环路表达控制系统的真核表达载体、工程化细胞或工程化细胞移植载体。本发明专利技术可以快速调控基因表达，具有超远程控制、智能调控基因表达量、调控表达倍数高、高度时空特异性、强组织穿透力、绝缘性好以及无毒副作用等特点。

Application of a remote controlled gene loop system in the treatment of diabetes mellitus

The invention discloses a gene expression loop far red light control system, including the feeling far red light source of the photoreceptor; processing the photoreceptor transfer signal processor; and the effector response to signal processor. The invention also discloses a gene loop remote regulation system, which comprises a far red gene loop expression control system, a control device for issuing a remote control command, and a far red light source device. The invention further discloses the far red gene loop expression control system and the application of the gene loop remote control system in the treatment of diabetes. The invention also discloses a eukaryotic expression vector containing the far red gene loop expression control system, an engineering cell or an engineering cell transplantation carrier. The invention can fast expression of regulatory genes, with remote control, intelligent control of gene expression and regulation of the expression of multiple high, high temporal and spatial specificity, strong tissue penetration, good insulation, non-toxic side effects etc..

【技术实现步骤摘要】
一种远程调控的基因环路系统在治疗糖尿病中的应用
本专利技术涉及合成生物学、光遗传学、电子工程等多学科交叉领域，具体涉及一种包括远红光基因环路表达控制系统、包括所述远红光基因环路表达控制系统的基因环路远程调控系统，及其调控方法和应用。
技术介绍
合成生物学是以工程学理论为指导,设计和合成各种复杂生物功能模块、系统甚至人工生命体，并应用于特定化学物生产、生物材料制造、基因治疗、组织工程等的一门综合学科。合成生物学经过近十年的飞速发展，已经在多个应用领域取得重大进展。尤其是在哺乳动物细胞合成生物学领域，人们设计、构建了多种可控的基因遗传电路用于诊断和治疗代谢疾病、癌症、免疫系统疾病等。在合成生物学与疾病治疗领域，人工精确调控基因表达的分子开关在疾病治疗中已经成为一种不可或缺的手段。目前世界上已经有很多通过人工调控诱导基因表达的系统，主要可以分为两大类：(1)通过化学物质来诱导调控基因表达系统；(2)通过物理方法来诱导调控基因表达系统。化学诱导物主要是一些小分子物质，例如四环素诱导调控基因表达系统[Gossen,M.等.,ProcNatlAcadSciUSA,1992,89:5547-5551]、乙醛诱导调控基因表达系统[Weber,W.等.,NatBiotechnol.,2004Nov；22(11):1440-1444]、苯甲酸和香草酸诱导调控基因表达系统[Xie,M.等.,NucleicAcidsRes.2014Aug；42(14):]等。这些系统通常以化学物质为诱导物，有的系统经过多年来的优化获得了非常优异的诱导性能。因而在过去的数年间，化学物质来诱导调控基因表达系统广泛应用于时间上对基因的有效表达调控。但是化学物质来诱导调控基因表达系中涉及的小分子诱导剂存在一些潜在的问题，例如毒性、多效性、非特异性以及组织渗透性差等。而且化学物质来诱导调控基因表达系很难做到在时空上精确调控。物理方法来诱导的调控系统包括：紫外线诱导调控的“囚笼(cage)”技术[Keyes,WM.等.,TrendsBiotechnol.2003Feb；21(2):53-5.]、远红外光控制热激效应诱导调控基因表达系统[Kamei,Y.等.,NatMethods.2009Jan；6(1):79-81.]、无线电控制温度感应诱导调控基因表达系统[Stanley,SA.等.,Science.2012May4；336(6081):604-8.]等。这些通过物理方法诱导基因表达的系统通常对细胞的毒性很大，可能会对细胞造成不可逆的伤害甚至使细胞死亡，而且这些系统涉及的一些设备装置较昂贵且操作复杂。光是一种理想的基因表达诱导物，因为它在自然界中普遍存在，容易获得，高度可控，没有毒性，最重要的是，它能够在时间和空间上实现精确调控。因此利用光作为诱导剂来调控基因表达进而调控生命体的各种新陈代谢活动是生物学家们一直在追求的目标。在我们的前期研究工作中，尝试利用合成生物学的方法设计、合成了蓝光调控转基因表达的基因环路，利用蓝光作为开关去激活、调控表达基因[Ye,H.等,Science,2011.332(6037):p.1565-8.]。华东理工大学杨弋教授课题组报道了LightOn蓝光调控基因表达开关[Wang,X.等,NatMethods,2012.9(3):p.266-9.]。然而蓝光用于调控体内基因表达有很大的局限性——蓝光透皮效率低，不易透过皮肤或腹腔去激活靶基因，极大地限制了光调控系统的深层次开发与临床应用。德国弗莱堡大学的WilfiredWeber教授课题组开发了红光调控的转基因表达控制开关[MüllerK.等,NucleicAcidsRes,2013,41(7):e77.NatProtoc,2014,9(3):622-32]，但是这个红光控制系统并未体现出较好的基因表达强度，也没有任何实验数据表明该红光控制开关在动物模型鼠体内调控基因表达的效果。更重要的是，该红光控制开关需要额外添加一种光敏色素藻蓝素(Phycocyanobilin)才能激活基因表达。而且这种色素来源极不方便，无法通过商业购买获得，需在实验室人工合成，合成步骤复杂，合成产物不稳定且产量极低。这些不利因素都极大地限制了该红光控制系统的进一步应用。糖尿病是当前威胁全球人类健康的最重要的慢性流行性疾病之一。糖尿病是一种影响人类健康的慢性终身性疾病，患者发病后主要以血糖升高等为主，并且随着病情的加重，将会累及身体各个重要脏器及全身组织，引发多种并发症，不能彻底治愈，只能控制。近几十年，全球糖尿病患者数以惊人的速度增长。一项多国联合研究显示，1980-2008年，全球糖尿病人数由1.53亿人增至3.47亿人。中华医学会糖尿病学分会组织覆盖全国14个省市的糖尿病流行病学调查数据显示，我国成人糖尿病患病人数已达9240万，发病率9.7％。随着人们生活水平的提高，生活方式的改变，肥胖和超重的比例逐年增加，使糖尿病“后备役部队”源源不断。1型糖尿病是一种慢性自身免疫疾病，是由于胰腺中分泌胰岛素的胰岛β细胞遭到自身反应性T细胞的靶向性破坏，导致胰岛素分泌减少，从而使机体丧失调节血糖的能力，进而影响机体新陈代谢，患者通常需要终身接受胰岛素治疗。2型糖尿病特有的标志是异常的糖平衡，这种异常的平衡也是由胰岛素缺乏引起的，而胰岛素缺乏源于胰岛β细胞功能失活或者胰岛素抗性，也就是胰岛素作用的靶器官、组织对其生物学效应的反应性降低或丧失，机体需要分泌更多的胰岛素来代偿这种缺陷。这样经常导致其他严重的有生命危险的第二并发症，如心血管疾病，肾衰竭和视网膜病变。但是迄今为止，糖尿病尚无法根治且需终身给药。糖尿病患者需每天口服降血糖药物或注射胰岛素来维持血糖稳定，尤其是注射胰岛素无法达到可控地释放胰岛素，极易造成低血糖风险。
技术实现思路
为克服现有技术存在的问题，本专利技术首次提出了一种新的远红光基因环路表达控制系统、以及一种包括所述远红光基因环路表达控制系统、控制装置和远红光光源装置的基因环路远程调控系统。本专利技术中，远红光透皮效率远远优于蓝光，可透过皮肤、肌肉组织7-8厘米，可以实现远程、无痕迹地调控移植在腹腔内的靶细胞表达目的基因，甚至可调控体内特定组织器官表达靶基因。远红光的光子能量要比蓝光光子能量低很多，对细胞产生的毒副作用要远远小于蓝光。且，本专利技术远红光控制系统不需要额外添加任何光敏色素就可被远红光直接激活。本专利技术系统及远红光控制开关具有极大潜在应用价值，可广泛推广于临床应用。本专利技术提出了一种人工设计、合成的基于智能手机平台超远程调控转基因表达的基因环路控制系统。该系统由智能手机通过局域网WiFi或2G/3G/4G网络控制远红光光源的智能控制系统和远红光调控转基因表达的基因环路控制系统两部分组成。本专利技术提供智能手机控制远红光光源的智能控制系统、包含智能手机调控转基因表达系统的真核表达载体、在宿主细胞内智能手机调控转基因表达方法以及将其移植到小鼠体内智能手机调控转基因表达的方法。本专利技术提供了上述智能手机调控转基因表达系统各组分的试剂盒。本专利技术还提供了一种基于智能手机平台超远程调控的新型糖尿病疗法。本专利技术可以快速调控基因表达，具有超远程控制、智能调控基因表达量、调控表达倍数高、高度时空特异性、强组织穿透力本文档来自技高网...

【技术保护点】
基因环路远程调控系统在制备糖尿病治疗药物中的应用；所述糖尿病包括I型糖尿病和/或II型糖尿病；所述基因环路远程调控系统包括：远红光基因环路表达控制系统；用于发出远程控制指令的控制装置；以及远红光光源装置；其中，所述远红光基因环路表达控制系统包括：感受远红光光源的光感受器；处理所述光感受器所传递信号的处理器；及应答所述处理器所传递信号的效应器；所述控制装置通过发出控制指令远程调控所述远红光光源装置，通过所述远红光光源装置发出的远红光调控所述远红光基因环路表达控制系统，实现调控转基因表达。

【技术特征摘要】
1.基因环路远程调控系统在制备糖尿病治疗药物中的应用；所述糖尿病包括I型糖尿病和/或II型糖尿病；所述基因环路远程调控系统包括：远红光基因环路表达控制系统；用于发出远程控制指令的控制装置；以及远红光光源装置；其中，所述远红光基因环路表达控制系统包括：感受远红光光源的光感受器；处理所述光感受器所传递信号的处理器；及应答所述处理器所传递信号的效应器；所述控制装置通过发出控制指令远程调控所述远红光光源装置，通过所述远红光光源装置发出的远红光调控所述远红光基因环路表达控制系统，实现调控转基因表达。2.如权利要求1所述的应用，其特征在于，所述远红光基因环路表达控制系统中，所述光感受器包括光敏二鸟苷酸环化酶Bphs，其在远红光条件下将GTP转变为c-di-GMP。3.如权利要求2所述的应用，其特征在于，所述远红光基因环路表达控制系统中，所述光感受器光敏二鸟苷酸环化酶Bphs是由BphG蛋白的第1-511位氨基酸和Slr1143蛋白的第175-343位氨基酸融合，并且将融合蛋白的587位精氨酸突变为丙氨酸R587A制备得到。4.如权利要求2所述的应用，其特征在于，所述远红光基因环路表达控制系统中，所述光感受器的构建形式包括：a)人工合成的细菌光敏二鸟苷酸环化酶Bphs编码基因Bphs；b)人工合成的细菌光敏二鸟苷酸环化酶Bphs编码基因通过2A序列与c-di-GMP降解酶YhjH编码基因相连Bphs-2A-YhjH；c)人工合成的细菌光敏二鸟苷酸环化酶Bphs编码基因通过2A序列与光敏色素合成酶Bpho编码基因相连Bphs-2A-Bpho；d)人工合成的细菌光敏二鸟苷酸环化酶Bphs编码基因通过2A序列与光敏色素合成酶Bpho编码基因相连，再通过2A序列与c-di-GMP降解酶YhjH编码基因相连Bphs-2A-Bpho-2A-YhjH；其中，所述2A序列可以被内部核糖体进入位点序列IRES替代；所述光敏色素合成酶Bpho具有合成光敏色素胆绿素的功能；所述c-di-GMP的降解酶YhjH具有将c-di-GMP降解为pGpG的功能。5.如权利要求4所述的应用，其特征在于，所述远红光基因环路表达控制系统中，所述Bphs、Bpho、YhjH的氨基酸序列选自序列45、46、48。6.如权利要求1所述的应用，其特征在于，所述远红光基因环路表达控制系统中，所述表达光感受器的启动子包括：a)SV40；b)CMV；c)hEF1α；d)mPGK；e)CAG。7.如权利要求1所述的应用，其特征在于，所述远红光基因环路表达控制系统中，所述处理器包括：作为DNA结合域和c-di-GMP结合域的多肽、作为核定位信号NLS的多肽、作为连接域的多肽、以及作为转录调控域的多肽。8.如权利要求7所述的应用，其特征在于，所述远红光基因环路表达控制系统中，所述作为DNA结合域和c-di-GMP结合域的多肽，其为与c-di-GMP结合后，能与特定的DNA序列结合的蛋白，包括BldD蛋白，该BldD蛋白的氨基酸序列选自序列49。9.如权利要求7所述的应用，其特征在于，所述远红光基因环路表达控制系统中，所述作为核定位信号NLS的多肽，其可以为1-3拷贝多种形式，其氨基酸序列为选自序列54。10.如权利要求7所述的应用，其特征在于，所述远红光基因环路表达控制系统中，所述作为连接功能域的多肽，其长度可以从0-30个氨基酸多种形式，其氨基酸序列选自序列55。11.如权利要求7所述的应用，其特征在于，所述远红光基因环路表达控制系统中，所述作为转录调控域的多肽，其为一切具有转录激活功能的结构域蛋白，包括NF-ΚBp65亚基转录激活结构域、热休克转录因子HSF1转录激活域、单纯疱疹病毒颗粒蛋白VP16转录激活结构域以及其4拷贝的转录激活结构域VP64；其氨基酸序列选自序列50、51、52、53。12.如权利要求7所述的应用，其特征在于，所述远红光基因环路表达控制系统中，所述作为转录调控域的多肽置于所述DNA结合域和c-di-...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶海峰，邵佳伟，于袁欢，薛帅，余贵玲，杨雪平，朱苏承，白郁，
申请(专利权)人：苏州欣赛生物科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32