光控基因表达系统DEL-VPR在哺乳动物细胞生物生产与基础研究中的高效应用

本研究针对哺乳动物细胞中光遗传学基因表达系统诱导强度不足的瓶颈问题，开发了新型蓝光激活转录开关DEL-VPR。通过将EL222光敏模块与VPR转录激活域融合，实现了高达570倍的基因诱导表达，达到强组成型启动子水平，成功应用于单克隆抗体(mAb)和双特异性抗体(bsAb)的光控生产，显著降低副产物并提高功能蛋白产量。该成果为生物制药和基础研究提供了高精度时空调控工具。

　　

在生物医药领域，单克隆抗体(mAb)和双特异性抗体(bsAb)等生物制剂已成为治疗癌症等重大疾病的重要武器。然而，这些复杂蛋白质的生产面临诸多挑战：传统化学诱导系统存在时空分辨率低、成本高且影响细胞活力等问题；而现有光遗传学工具又难以在哺乳动物细胞中实现足够强的诱导表达。特别是在bsAb生产中，不同链的表达失衡会导致大量错误组装副产物，严重影响纯化效率和最终产量。这些瓶颈问题严重制约着生物制药的工业化进程。

德国波恩大学等机构的研究人员开发了新型光控基因表达系统DEL-VPR，通过将蓝光敏感蛋白EL222与三重转录激活域VPR(VP64-p65-Rta)融合，创建了兼具高诱导强度和低背景活性的光遗传学工具。该系统在《Nucleic Acids Research》发表的研究显示，DEL-VPR能实现哺乳动物细胞中精确的时空基因调控，为生物制药和基础研究提供了创新解决方案。

研究采用的主要技术包括：1)分子构建将EL222与不同转录激活域(VP16/VPR)融合；2)双荧光素酶报告系统定量评估诱导效率；3)流式细胞术和活细胞成像分析单细胞表达水平；4)Western blot和ELISA检测抗体表达与功能；5)腺相关病毒(AAV)载体递送系统验证在hiPSC来源神经前体细胞中的应用。

光控转录开关的设计优化
研究人员系统比较了多种LOV结构域光遗传学工具。DEL-VPR在HEK293T和CHO-K1细胞中分别实现570倍和160倍的基因诱导，显著优于VP-EL222等现有系统。关键创新在于采用VPR三联激活域(VP64-p65-Rta)，其诱导强度达到CMV启动子水平，同时保持极低暗态活性。单细胞分析证实DEL-VPR介导的表达均一性好，且光毒性可忽略。

光照参数的精确调控
通过干扰素β(IFNβ)分泌实验，确定了1000 μW/cm²为HEK293T细胞最佳光强。采用1分钟光照/3分钟黑暗的脉冲模式可减少75%总光剂量而不影响表达效率，这对大规模培养的热量管理至关重要。

复杂抗体的光控生产
在单克隆抗体(赫赛汀)生产中，DEL-VPR实现了与CMV启动子相当的产量，且产物具有完整抗原结合能力。更令人振奋的是，在双特异性抗体(bsAb)生产中，光控表达使正确组装的三聚体比例显著提高，减少了HCscFv同源二聚体等副产物。通过将HCscFv设为组成型表达而LC/HC光控表达，还可动态调节不同链的比例，实现产物组成的精确调控。

稳定细胞系与病毒递送验证
研究进一步构建了稳定整合DEL-VPR系统的HEK293T细胞，并通过AAV载体在hiPSC来源的小分子神经前体细胞(smNPCs)中成功实现光控基因表达，证实了该系统的广泛应用潜力。

该研究开发的DEL-VPR系统突破了现有光遗传学工具在诱导强度方面的限制，首次在哺乳动物细胞中实现了与强组成型启动子媲美的光控表达。其创新价值体现在：1)单组分设计简化了遗传操作；2)模块化结构便于进一步优化；3)低光强需求有利于规模化应用。在生物制药领域，这种高精度调控能力可显著提高复杂蛋白的生产效率和质量，降低纯化难度和生产成本。对基础研究而言，DEL-VPR为基因功能研究、信号通路解析等提供了强大的时空操控工具。特别值得注意的是，该系统通过AAV递送在干细胞中的成功应用，为再生医学研究开辟了新途径。未来，结合自动化培养和实时监测技术，DEL-VPR有望推动生物制药进入"智能生产"新时代。