让癌细胞“改邪归正”——记广东省泌尿生殖系肿瘤系统与合成生物学重点实验室研究团队

吴应清

癌症，人们谈之色变，唯恐避之不及。膀胱癌是泌尿系统最常见的恶性肿瘤，发病率居泌尿系统恶性肿瘤的首位。目前在临床采用的肿瘤放化疗等方法，尽管对癌症治疗起了一定作用，但其对癌细胞和正常细胞“通杀”的缺点和给患者带来的巨大痛苦却不容忽视。所以，开发精准干预肿瘤细胞的靶向治疗方法，已经成为癌症研究领域的热点。

在深圳，由国家泌尿外科重点学科带头人蔡志明牵头广东省泌尿生殖系肿瘤系统与合成生物学重点实验室研究团队另辟蹊径开展研究。他们以合成生物学技术为矛，以期用这一“新式武器”攻克膀胱癌，并为其他癌症的治疗提供新思路。经过多年的协同攻关，团队已经取得了一系列突破性的研发成果。近5年间，共发表SCI论文237篇，其中影响因子10分以上的论文21篇，拥有授权发明专利17项，获得多项各级科技奖项。让癌细胞“精准死亡，扶正祛邪”，让研究成果真正惠及癌症患者，是他们的最高目标，团队正以“一万年太久，只争朝夕”的干劲儿勇往直前，砥砺前行。

乐在其中

作为一名“80后”，实验室副主任黄卫人的求学时代正好是生命科学技术突飞猛进的时期。在那个年代，研究者们发明PCR技术、掀起克隆动物热潮、完成人类基因组计划……生命科学领域日新月异的发展让人眼花缭乱。这也对学子、研究者提出了更高的要求，他们不仅要学习已有的学科知识，还要了解整个学科的前沿进展，以服务和指导科研工作。随着学习、研究的不断深入，黄卫人逐渐将研究方向锁定在泌尿生殖系统肿瘤发生机制及诊疗上，尤其是泌尿系统最常见的恶性肿瘤——膀胱癌上。

科学家认为，至少4000种基因与人类疾病的发生有直接关系，还有大量基因与疾病有千丝万缕的联系。要想真正弄懂膀胱癌的发病机制，解析膀胱癌基因组是必由之路。黄卫人和团队在国际肿瘤基因组联合项目的支持下，经过多年的刻苦攻关，终于完成了膀胱癌基因组解析，相关数据被纳入癌症领域广为人知的国际TCGA数据库（癌症基因组图谱数据库），占到了膀胱癌数据的半壁江山。

完成膀胱癌基因组解析，并不代表着就弄懂了膀胱癌的发病机制。面对这本“生命天书”，“怎么读”“读完能否写出来”是黄卫人和团队接下来要面临的更大挑战。恰在此时，后基因组时代重要学科发展方向合成生物学进入他们的视野。基于全面基因组信息解析为基础的新生学科，合成生物学是生物学与工程学融合的交叉学科，实际上是工程学的思维在生物学领域的应用。工程学中重要的策略，标准化、模块化以及建模在合成生物学中同样关键。在医学领域，合成生物学家们可以将复杂的生命系统分解，可以在不同的尺度上（如元件、回路、途径等）对生命过程进行设计、组装构建、测试并重新设计。有学者预期，合成生物学将对药物、能源、材料、环境以及人类的健康等领域产生重大影响。

蔡志明团队合照

“就像我们把玩具拆开，然后重新去组装出来并实现相应的功能。只有这样，我们才能真正理解生命。”黄卫人深入浅出地解释道。他们希望利用合成生物学的方法，将膀胱癌基因组中特定功能的基因信息提炼出来，通过不同功能的重新组装，产生新的生命体系，包括肿瘤特性识别、肿瘤特性干预、肿瘤网络的人工可控的调控，从而实现对肿瘤的诊治。

黄卫人和团队的这一设想得到了国家的大力支持。作为我国以获得原创性研究成果为目标的最高层次研究项目，原国家“973计划”将合成生物学纳入了研发计划，这在国内还属首次，在当时国内外产生了巨大反响。2014年1月，在实验室主任、美国生物医学与生物学工程学院Fellow、原国家“973计划”首席科学家蔡志明的带领下，原国家“973计划”“合成生物器件干预膀胱癌的基础研究”项目正式启动，以深圳大学第一附属医院为主导，与多所科研院校合作，以膀胱癌作为模式肿瘤，开展合成生物器件干预肿瘤的基础研究，旨在通过构建特异、可控和多靶点的合成生物干预系统，弥补传统靶向治疗的缺陷，解决合成器件干预肿瘤的相关基础科学问题，为癌症的治疗提供广泛的科学依据和有效工具。作为研究骨干，黄卫人全程学习参与，并做了大量卓有成效的贡献。

区分癌细胞与正常细胞，是黄卫人和团队首先要面对的一大难题。据了解，由于膀胱癌早发现早治疗比较困难，晚期癌症患者往往会失去手术的机会。而由于癌细胞的异质性，以及与正常细胞的相似性，传统的放疗和化疗将癌细胞和正常细胞一并杀死，并且容易使癌细胞产生耐药性，一旦转移将产生严重后果。因此，区分癌细胞与正常细胞是癌症诊疗的关键所在。2012年，基因编辑技术出现，它设计简单、靶向性强，黄卫人一直思考能否将其引入癌症诊疗？答案是肯定的。经过大量的实验和研究工作，黄卫人和团队有了突破性进展，利用CRISPR-Cas9系统构建了与门（AND gate）遗传线路。“通过调控相应的基因线路，能够实现膀胱癌细胞和正常细胞的特异识别与区分，并且能够有效抑制膀胱癌细胞生长，诱导其凋亡，遏制细胞迁移运动能力。”黄卫人介绍，这一创举在国际上首次实现了对膀胱癌的精准靶向和控制，同时也为其他肿瘤提供了一个可供借鉴的普适性精准化研究与治疗策略。

同时，黄卫人及其团队进一步构建基于CRISPR-Cas9系统的“基因调控线路”，调控膀胱癌细胞信号网络和重编程癌细胞命运，实现了对细胞多种内源蛋白信号和复杂分子网络的定向整合、控制与信号系统的重塑，能动态应答并有效处理不同的分子信号，改变细胞信息流动方向，成为搭建人工基因线路的重要使能工具，也解决了科学上的一个重大挑战。

在利用合成生物学策略构建基因线路识别膀胱癌细胞后，如何将基因线路高效靶向“运输”到膀胱癌细胞，也是黄卫人团队重点关注的问题。团队构建基于微小启动子的“CRISPReader”基因线路，设计小型化CRISPR-AAV表达系统，实现对CRISPR-Cas9基因线路系统的高效递送，作为一种新型的基因表达调控系统，在膀胱癌基因治疗方面具有极大的应用价值。

蔡志明

在肿瘤发展及治疗过程中，癌细胞及癌细胞死亡相关因子会严重影响肿瘤微环境，导致严重的肿瘤免疫耐受。因此，在实现膀胱癌细胞“精准识别”后，如何重塑肿瘤免疫微环境，促进免疫系统对肿瘤的识别与清除，激活特异、长效的抗肿瘤免疫应答，进而阻止肿瘤的复发和转移，是团队下一步的主攻方向。据此，黄卫人及其团队进一步聚焦如何利用合成生物学技术重塑细胞微环境，以实现肿瘤的高效、精准、可控治疗。黄卫人作为项目首席科学家，组织国内相关领域优势团队协同攻关，获得科技部重点研发计划项目支持。以期实现膀胱癌细胞特异杀伤与免疫激活的协同效应，为膀胱癌治疗提供全新的策略，最终实现针对膀胱癌的“精准杀伤，扶正去邪”，在癌细胞精准识别与死亡的同时，抑制其微环境的抑制能力，激活免疫细胞的持续抗肿瘤能力。

黄卫人

冬去春来，十年铸剑。2020年是黄卫人从事泌尿系统肿瘤发病机制研究和诊疗的第十个年头，虽然还不到40岁，但他已经在泌尿生殖系统疾病发生机制、肿瘤个体化诊断及治疗的精准医学、合成生物学、基因编辑技术研究及转化等领域做出了突出贡献。他以国内高发的膀胱癌为模型较早将工程化理念与肿瘤研究结合，系统地发掘出一批膀胱癌细胞表型识别和控制有效靶点；完成了膀胱癌特异基因开关元件的合成和表征；构建出可同时感应多层面信号的人工基因线路，实现肿瘤细胞的特异区分和肿瘤信号网络的智能识别与人工调控，进一步深入理解肿瘤发病机理。在包括Nature Methods、Nature Communications、Genome Biology、JACS、 cancer letters、ACS Synthetic Biology、Cell Death & Disease等杂志以通讯作者或者第一作者发表SCI论文60余篇。相关成果获得深圳市自然科学奖1项，中华医学科技奖1项，科学中国人（2017）年度人物杰出青年科学家奖，2018年中国产学研合作创新奖。申报国家专利28项，获得发明专利授权11项。

在科研工作外，黄卫人还承担了大量科研管理和学术事务。除担任广东省泌尿生殖肿瘤系统与合成生物学重点实验室执行主任以外，还积极推动医学合成生物学的发展，参与中国生物医药技术协会合成生物学专委会，中国生物工程学会合成生物学专委会筹建，担任深圳市合成生物学协会副会长等职务；已经成为推动学科发展和技术进步的中坚力量。

回首医学科研经历，黄卫人笑称是“误入歧途”，懵懵懂懂地踏上了一条艰辛而又神圣的道路。随着研究的不断深入，面对诸多现实需求和难题，他“觉得自己应该做点什么”，变得“乐在其中”，“7-11”（每周工作7天，每天工作11小时）是他的工作常态。注重效率，执着前行，是黄卫人的科研自画像。同时，也激励着整个团队不断向前，不断攀登新的高峰。

敏而好学

2010年的一天，时任北京大学深圳医院院长的蔡志明照例带领一群汕头大学医学院的本科生开展临床实习，他给每个人5分钟时间，让他们讲关注的最新的学术动态或关键性进展。这是蔡志明的独创，他通过这种方式了解每名实习生的学业情况、思想深度和研究重点，以便因材施教。一个瘦弱的小伙子讲了“夜尿与膀胱癌发病的关系”。这一创新性的见解让蔡志明十分惊喜：一个本科生能有这样独到且有深度的见解实属难得。他当即邀请这个小伙子以后加入他的研究团队，开展泌尿基因组、医学合成生物学的研究。这个小伙子就是刘宇辰。

刘宇辰出生于1988年，在父亲的悉心培养下，从小就对自然科学、医学产生了浓厚的兴趣。高考时，他将临床医学作为志愿之一。成绩优异的他被汕头大学医学院7年制临床医学专业（本硕连读）录取。本科实习期的这个小插曲，让刘宇辰将泌尿医学作为今后的研究方向，硕博阶段就开始跟随蔡志明开展相关研究。2015年，博士毕业后，他正式加入蔡志明研究团队。作为团队里较为年轻的研究人员，刘宇辰不急不躁，潜下心来搞研究，在蔡志明、黄卫人等的带领和指导下，致力于将合成生物学技术应用于膀胱癌诊断和治疗的研究。

癌细胞由正常细胞变异而来，所以与正常细胞具有天然的相似性，并且为了“扩大地盘”，癌细胞还会通过“伪装”躲开免疫系统的追踪。传统的诊疗手段主要依靠各种仪器，只有当癌细胞分裂的足够多，肿瘤足够大时，才能够通过仪器检测出来。早诊早治是治疗癌症的黄金法则。如何更早更精准地发现癌细胞，是研究者们面临的难题。

世上无难事，只要肯登攀。通过大量的观察实验，比对分析，刘宇辰和团队通过构建定量可控的人工miRNA、shRNA元件库和CRISPR-Cas9元件库，发掘出了一批与膀胱癌细胞恶性增殖、凋亡、转移、迁移和侵袭相关的作用靶点。通过对基因靶点的分子机制和功能研究，他们设计并开发出了膀胱癌特异靶点响应、应答和干预元件库，还将工程学原则引入相关元件的偶联、适配和组装过程，最终获得了可特异区分膀胱癌细胞和正常细胞的基因线路和“生物双开关”，对癌症诊断开辟了新的研究思路。这一成果于2014年11月发表在Nature子刊上。基因编辑技术的开拓者、美国科学院院士Jennifer A. Doudna教授对其进行了积极点评，认为该技术拓展了合成生物学家的工具箱，为复杂基因线路的构建奠定了基础。

团队研究成果还引起了一群年轻人的关注。这是一群来自深圳大学的本科生，他们想：利用与门遗传回路，是否能做一个专门针对膀胱癌细胞的分子机器人，让它进入到人体内“狙击”膀胱癌细胞呢？为此，他们主动找到当时还是学生的刘宇辰师兄，希望得到指导。为了更好地了解膀胱癌的发病特点，学生们甚至跑到医院现场采访了很多膀胱癌患者。

看到年轻学子对膀胱癌诊疗如此感兴趣，蔡志明教授非常高兴，安排黄卫人和刘宇辰博士抽出宝贵的时间，毫无保留地向学生们介绍研究原理，介绍目前膀胱癌诊疗的现状和问题，解答疑问，让学生们对膀胱癌的发病特点有了准确的认识。在团队的指导下，学生们设计开发了“膀胱癌狙击手”智能分子机器人模块。这一成果在2015年美国麻省理工学院（MIT）主办的、全球共128个国家高校参加的国际遗传机器大赛（IGEM）中荣获金牌。

正常细胞有自己正常的内在的信号通路和基因调控网络，这让它们可以正常工作。但是如果细胞处在疾病状态，特别是变异成癌细胞，它内在的这种基因调控网络、信号通路都是大量紊乱的。如果改变癌细胞的基因调控网络，是不是就能够抑制癌细胞的生长？如果将癌细胞的基因调控网络改成正常细胞的，是不是就能将癌细胞变为正常细胞？这些令人激动的设想，还需要勇敢的研究者来探路。刘宇辰博士利用合成生物学技术人工设计的“信号传导器”诞生了。这个器件可特异感知肿瘤任何异常分子的存在，并同时与下游多个抑癌分子组成一个新的“信号转导网络”，进而“重新编程”肿瘤细胞的分子信息程序，逆转其恶性生物学行为，或诱导其进入自杀程序。“这个‘信号传感器’就像是一个核酸机器人，它能感知细胞的生命状态。更重要的是，在一定程度上可以遏制癌细胞的转移。”刘宇辰介绍道。2016年9月，相关研究成果发表于国际顶级生物技术期刊Nature Methods。一经发表即引起国内外同行广泛关注，认为其在未来具有广泛的应用前景和临床转化价值，特别将在癌症治疗应用研究领域产生巨大的应用价值”。

刘宇辰

短短数年，刘宇辰在求学和工作过程中，积极拥抱合成生物学技术领域，取得骄人成绩，在Nature Methods、Nature Communications等刊物发表论文30篇主持或参与国家自然科学基金3项，获得广东省“杰出青年”基金支持，荣获广东省科学技术奖一等奖和高等学校科学研究优秀成果奖自然科学奖二等奖，深圳市青年科学奖；被福布斯杂志评选为“全球30位30岁以下青年杰出人才”。

百花齐放

2017年，广东省泌尿生殖肿瘤系统与合成生物学重点实验室正式挂牌。作为国内首家利用合成生物学计划开展膀胱癌诊疗研究的机构，它的孕育和成长遇到了“特别”的艰难。

作为省重点实验室，有广东省和深圳市的双重支持，资金不是问题。研究人员回忆，实验室初建时，最大的困难是思想的统一。在当时，合成生物学仍然是一个新生学科，很多人对“什么是合成生物学”存在疑问，不知道利用合成生物学能做什么，不知道它的优势在哪里。而且，当时实验室的成员研究背景各有不同，有做临床医学的，有做遗传学的，有做基因组学的，还有做传统生物治疗的，大家都基于自身的研究经历对“合成生物学”有各自的理解。

统一的思想，是统一行动的前提。在科学研究中，统一的思想更是行路指南，指引着研究方向。实验室主任蔡志明是国内较早地倡导将合成生物学技术引入肿瘤尤其是膀胱癌研究的专家，对合成生物学的应用前景十分看好。面对大家思想的不一致，他并没有强制定下研究内容，规定研究方向，而是鼓励大家各抒己见，畅所欲言。很多时候，能真正说服人的，不是语言，而是行动。在当时，根据前期的研究工作，大家已经在膀胱癌基因组学研究中发现了很多靶点，但却不知道该怎么用这些靶点来进行膀胱癌的诊疗。此时，蔡志明提出：可以用合成生物学的技术来解决多靶点诊疗问题。在蔡志明的指导下，黄卫人、刘宇辰等通过研究，成功构建了与门遗传回路，找到了研究的突破口，也让大家看到了合成生物学强大的技术实力，研究思想实现了真正的统一。

星霜轮转，岁月更替。短短5年间，实验室已经颇具规模，研发场地面积达3500平方米，设备总值为4500万元。一个囊括近40位国内外高水平人才、学术实力雄厚、敢闯敢拼的研究团队已然形成，他们中间既有像黄卫人这样乐在其中的中坚力量，也有像刘宇辰这样敏而好学的优秀青年，还有像蔡志明这样高瞻远瞩的领军人物。他们正以昂扬的精神状态，向下一个五年、十年迈进。在未来，癌症诊疗将发生怎样翻天覆地的变化，我们拭目以待。