动态调控未折叠蛋白响应的反馈响应型细胞工厂增强治疗性蛋白生产

为解决重组蛋白生产中因蛋白过表达导致的蛋白毒性应激和细胞凋亡问题，研究人员开发了能感知内质网应激并动态调控未折叠蛋白响应（UPR）的反馈响应型细胞工厂。通过设计XBP1s自放大回路和CHOP沉默系统，显著提高了组织纤溶酶原激活剂（tPA）和双特异性抗体blinatumomab的产量，为生物制药提供了创新平台。

　　

治疗性蛋白在癌症、心血管疾病等领域具有重要应用，但大规模生产面临瓶颈：蛋白过表达导致内质网（ER）中未折叠蛋白积累，触发未折叠蛋白响应（UPR），最终引发细胞凋亡。传统方法通过静态调控UPR关键基因（如XBP1s或CHOP）效果有限，且无法解决细胞群体异质性问题。

为解决这一挑战，莱斯大学的研究团队在《Nature Communications》发表研究，开发了基于合成生物学的反馈响应型细胞工厂。该系统通过动态感知UPR信号（IRE1-XBP1s通路），自主调节应激衰减和凋亡延迟机制，显著提升了治疗性蛋白的产量和细胞存活率。

研究采用以下关键技术：1）基于CRISPR-Cas9的基因组编辑构建XBP1s-TetR（tTA）传感器；2）设计正反馈回路（XBP1s自放大）和负反馈回路（shRNA沉默CHOP）；3）利用荧光报告系统（iRFP/GFP）定量监测UPR激活；4）通过qRT-PCR和流式细胞术验证通路动态变化；5）功能实验评估tPA和blinatumomab的分泌效率。

结果部分
tPA过表达激活UPR的促生存与促凋亡通路
通过构建ERdj4（XBP1s靶标）、EIF4（ATF4靶标）和CHOP（凋亡标志物）的报告系统，发现高剂量tPA表达同时激活IRE1-XBP1s（6倍诱导）和PERK-CHOP（7倍诱导）通路，且高表达亚群更易凋亡。

基于IRE1的细胞应激传感器
将tTA（转录激活因子）整合至XBP1基因下游，使tTA表达与XBP1 mRNA剪切偶联。tunicamycin处理使tTA活性提升2倍，证实传感器可动态响应ER应激。

XBP1s自放大回路增强应激衰减
在传感器细胞中引入XBP1s_IRES_iRFP反馈回路，使XBP1s mRNA在应激12小时后最高放大59倍，ERdj4表达同步提升7倍，细胞存活率提高55%。

CHOP沉默回路延迟凋亡
设计tTA调控的shCHOP系统，使CHOP mRNA在持续应激下降低50%，其下游靶标ATF5表达减少，Annexin V阳性细胞比例恢复至基线水平。

双回路协同提升蛋白生产
组合XBP1s放大与CHOP沉默的细胞工厂使tPA产量提升57%，blinatumomab产量提高52%。在长期培养（48天）和附加应激（tunicamycin）条件下仍维持26%-67%的产量优势，且caspase 3/7活性未升高。

结论与意义
该研究创新性地将合成生物学工具与内源性UPR通路耦合，实现了单细胞水平的动态应激调控。相较于传统静态基因过表达方法，反馈系统能自适应蛋白折叠需求波动，解决了细胞异质性导致的产量不均问题。为"难表达"蛋白（如多结构域抗体、复杂糖基化蛋白）的生产提供了通用平台，对降低生物药成本、应对全球供应链短缺具有重要价值。研究还揭示了UPR分支（IRE1与PERK）的时间动力学对细胞命运的调控机制，为后续优化提供了理论依据。