《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

施瓦辛格主演的电影《终结者 5》当中，人类领袖 John 被改造成了半机器人。改造之后，John 的行动被机器所掌控，成为了机器的傀儡。

而现在，人类的一些生命活动，真的可以从外界来控制了，比如用电调节基因表达。

来自苏黎世联邦理工学院的华人博士生 Jinbo Huang 和团队研制了一种新的生物接口。这种接口名为「直流电激活的调节技术」(DC-Actuated Regulation Technology)。

它可以通过电信号对细胞进行刺激，进而启动或暂停某个基因的表达。

现在，这项研究已经登上了 Nature 子刊。

那么，DART 是如何实现基因表达控制的呢？

电刺激开启基因表达

基因表达的调控方式有很多种，这项研究是基于转录水平的调控进行的。在真核生物的基因中，有被称为顺 / 反式作用元件的特殊序列。这些序列不编码蛋白质，但对基因的表达起到控制作用。

我们知道，细胞所处的环境当中有大量的水和氯离子。

通入直流电时，阴阳两级分别产生氯气和氢气，同时还有自由基的产生。自由基会与细胞内的物质发生作用，生成活性氧（ROS）。同时在细胞内存在 Keap1-Nrf2-ARE 通路，其中的 Keap1 受体对 ROS 敏感。

一般情况下，Keap1 和 Nrf2 是结合在一起的，而当 ROS 含量增高时，Keap1 会将 Nrf2 释放。

Nrf2 进入细胞核后会与 ARE 结合，而 ARE 就是一种顺式作用元件。其中就包括了供 RNA 聚合酶识别的启动子。ARE 结合 Nrf2 之后被激活，转录过程开始，下游基因被表达。比如胰岛素合成基因就是此处「下游基因」中的一种。

当电刺激消失后，ROS 水平也随之下降，相关通路关闭，基因表达停止，实现了操作的可逆性。

实验中，研究人员让 1 型糖尿病模型小鼠重新分泌了胰岛素。不过这一过程使用的并非小鼠自身的胰岛 B 细胞，而是人源细胞。

此中包括了人胚肾细胞系 (HEK293) 和人间充质干细胞系 (hMSC)。其中 HEK293 用于 DART 系统的构建、测试和调节，而 hMSC 则是测试的靶细胞。

通过基因工程方式，研究人员让结合了 TERT 的 hMSC 细胞系 (hMSC-TERT) 表达胰岛素基因。该细胞系具有能同时进行增殖和分化的特点，是基因相关研究中常用的细胞。研究人员把这种细胞植入小鼠的背部，然后通过电流进行刺激。结果，这些 hMSC 细胞成功地分泌出了胰岛素。

研究团队每天用 4.5V 的直流电源对小鼠背部施加 10 秒钟的刺激。结果在连续四周之内，实验组小鼠体内的胰岛素含量均显著高于对照组。且在前两天内血糖迅速下降至接近正常水平，并在接下来的四周中保持稳定。

对小鼠糖化血红蛋白 (HbA1c) 水平的监测结果也显示，在电刺激 4-6 周后接近了正常水平。HbA1c 是一项用于衡量一段时间内整体血糖水平的指标，可以排除单点血糖值的偶然因素。

上述实验结果表明，将这项技术用于 1 型糖尿病治疗的理论基础是存在的。接下来的工作，就是找到适合人类的调控参数和植入方式。

如果能够成功，甚至把 DART 接入互联网，远程的基因和细胞的疗法将成为可能。当然，治疗疾病只是 DART 的潜在应用之一，今后也许还有更多的用法。

我们不妨期待一下 DART 落地的那一天。

论文地址：

参考链接：

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

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