The Trustees of Columbia University in The City of New York

在当今社会，人类对甜食的钟爱已演变成一种普遍的“甜蜜负担”。据统计，美国人均每年摄入的甜食量已飙升至超过100磅，而在1800年，这一数字仅为18磅。为了应对这一日益严峻的公共健康挑战，哥伦比亚大学的研究人员取得了突破性进展。他们首次成功绘制出人类甜味受体的三维结构图，这项发表在《Cell》杂志上的研究成果，有望引领我们迈向一个全新的时代，设计出能够有效调节人类对糖渴望的新型甜味受体调节剂。“糖在肥胖症中扮演的角色不容忽视。目前，我们使用的人工甜味剂虽可替代糖，但无法有效改变我们对糖的强烈渴望。”论文共同第一作者、哥伦比亚大学祖克曼研究所Charles Zuker博士实验室博士后研究员Juen Zhang博士指出。我们的舌头上的甜味受体能够敏锐地检测到从普通砂糖（蔗糖）到鸡蛋中的抗菌酶等多种甜味化学物质。与其他苦味、酸味受体不同，甜味受体的进化目的并非追求高灵敏度，而是促使我们偏爱富含糖分的食物以获取能量，这也解释了为何我们需要大量甜食才能满足对甜味的向往。确定人类甜味受体的精确结构，是深入理解其如何帮助我们感知甜味的关键所在，它将从根本上推动我们对味觉感知的认知。20多年前，Zuker博士及其团队发现了哺乳动物甜味受体背后的基因，这项具有里程碑意义的研究揭示了人类甜味受体的化学式。然而，此前我们对其精确形状仍一无所知，恰似知晓蛋糕的配方却无法预见成品蛋糕的外观。在缺乏这一关键知识的情况下，深入了解甜味感知的分子基础并合理设计调节该重要受体功能的方法一直是科学界的难题。Zuker博士表示：“我们今天使用的人造甜味剂，无一不是偶然发现或基于已知甜味分子设计的，因此大多数都存在明显缺陷。”这项新研究以前所未有的2.8埃（埃，长度单位，1埃等于0.1纳米）的高分辨率绘制了人类甜味受体的结构图。相比之下，最小的原子——氢原子的直径也仅略大于1埃。研究人员通过创新的方法，历经约三年时间的努力，克服了这种蛋白在实验室细胞培养中的重重困难，最终成功绘制出人类甜味受体的结构图。论文共同第一作者、Zuker实验室博士生Zhengyuan Lu指出：“单是获得用于绘制结构图的纯化蛋白，就耗费了我们三年时间，尝试了150多种不同的制备方法。”随后，团队利用低温电镜（cryo-EM）技术对人类甜味受体进行了分析。该技术通过向冻结在溶液中的分子发射电子束，从不同角度捕捉分子的快照，从而在原子水平上重建其三维结构。尤为重要的是，低温电镜揭示了人类甜味受体的结合口袋——甜味物质正是粘附在这个空腔中，并引发一系列促使我们对甜食产生强烈食欲的反应。哥伦比亚大学祖克曼研究所Zuker实验室研究员Anthony Fitzpatrick博士强调：“非常准确地确定这种受体的结合口袋，对了解其功能至关重要。通过了解它的确切形状，我们可以揭示甜味剂为何会附着其上，以及如何制造或寻找更好的分子来激活或调节这种受体的功能。”人类甜味受体由两个主要部分组成，其中之一的TAS1R2部分拥有结合口袋。了解这部分的结构有助于我们理解人们对甜食敏感程度的差异。研究人员不仅绘制了人类甜味受体与两种常用人造甜味剂——阿斯巴甜（aspartame）和三氯蔗糖（sucralose）结合时的结构图，还发现这两种甜味剂的甜度分别是蔗糖的200倍和600倍。紧接着，通过系统地改变人类甜味受体的微小部分，研究人员揭示了这些部分在与甜味剂结合时所发挥的作用。尽管人类甜味受体主要分布于口腔的味蕾上，但Zhang博士指出，它们也分散于全身各处，可能在胰腺等器官的功能中发挥作用。因此，这种受体结构的新图谱不仅可能推动我们对味觉感知的理解，还有望为研究人体代谢以及糖尿病等疾病提供新的视角。随着这项研究的深入，我们有望迎来一个既能满足对甜味的渴望，又无需担心健康问题的新时代。参考资料：Zhang Juen et al, The Structure of Human Sweetness, Cell (2025). DOI: 10.1016/j.cell.2025.04.021.本文仅用于学术分享，转载请注明出处。若有侵权，请联系微信：bioonSir 删除或修改！点击下方「阅读原文」，前往生物谷官网查询更多生物相关资讯~

撰文丨王聪编辑丨王多鱼排版丨水成文一直以来，如何将整个基因高效且精准地整合到特定基因组位点，是基因组编辑领域的一个长期存在的难题。尽管现有的基因编辑技术可以修复大多数致病基因突变，然而，许多疾病的遗传多样性（例如，ABCA4 基因的 500 多种突变类型会导致 Stargardt病，PAH 基因的 1000 多种突变类型会导致苯丙酮尿症，而 CFTR 基因的 2000 多种突变类型会导致囊性纤维化）导致我们需要设计多种针对特定突变的不同基因编辑疗法，这严重限制了能够受益于基因编辑疗法的患者数量。直接将整个基因整合到基因组中的靶向整合技术，可为功能缺失突变的遗传疾病提供一种不依赖具体突变类型的通用疗法，此外，该技术还可用于癌症免疫疗法、转基因细胞和动物模型构建，以及代谢工程等领域。2019 年 6 月，张锋团队以及哥伦比亚大学的 Samuel Sternberg 团队各自独立发现了 CRISPR 相关转座酶（CAST），CAST 是一类 RNA 引导的转座酶，能够以高度特异的方式将大片段 DNA 移动到新的位置。而且不会造成 DNA 双链断裂，从而避免了可能产生的不良编辑副产物【1、2】。CAST 的发现为基因的精准整合奠定了基础，然而，其在人类细胞中的编辑效率不足 0.1%，这么低的效率，显然无法实际应用。2025 年 5 月 15 日，刘如谦团队与 Samuel Sternberg 团队合作，在国际顶尖学术期刊 Science 上发表了题为：Programmable gene insertion in human cells with a laboratory-evolved CRISPR-associated transposase 的研究论文【3】。该研究利用噬菌体辅助连续进化（PACE）技术来提高 CRISPR 相关转座酶（CAST）的活性，成功进化出了活性提高数百倍的 EvoCAST，能够在人类细胞中实现高效且精准的大片段基因插入，效率相比天然 CAST 提高了 420 倍。EvoCAST 可支持超过 10kb 的超大 DNA 片段整合，并介导了多种治疗性有效载荷在与疾病相关的基因组位点的整合（包括安全港位点、癌症免疫治疗工程位点，以及功能缺失遗传疾病相关基因位点）。此外，EvoCAST 还可在多种人类细胞类型（例如原代人类成纤维细胞）中进行靶向整合，并展现出高产物纯度：未检测到插入或缺失突变（indels），主要为单向插入，整合精度达单碱基对水平，且脱靶整合频率极低。总的来说，这项研究为 CAST 的实验室进化奠定了基础，并推进了一种在活体系统中实现可编程基因整合的通用系统。为了提高 CAST 系统的效率，Samuel Sternberg 团队与刘如谦团队合作，利用刘如谦团队于 2011 年开发的 噬菌体辅助连续进化（PACE）技术，这是一种蛋白质定向进化方法，简单来说，PACE 技术模拟了物竞天择的自然进化筛选过程：首先需要培养多种快速进化的噬菌体，同时对其进行不断稀释，而只有那些表达具有特定理想特征的蛋白变体的噬菌体才能通过比稀释速度更快的复制速度存活下来。经过数百轮的进化，研究团队成功得到了 CAST 转座酶蛋白 TnsB 的一个进化变体，其在人类细胞中的整合活性提高了 200 多倍。进化后的 TnsB 包含 10 个活性增强突变，这些突变可能调节了其与其他 CAST 组件的多种不同相互作用。值得注意的是，进化后的 TnsB 无需共递送具有细胞毒性的细菌 CAST 辅助蛋白 ClpX 的情况下即可在人类细胞中实现高效整合。研究团队进一步将进化后的 TnsB 变体与其他通过 PACE 进化和理性工程改造的 CAST 组件相结合，得到了 EvoCAST 系统。进一步验证实验显示，EvoCAST 在人类细胞的 14 个基因组靶点上实现了 10%-30% 的基因整合效率，相比天然 CAST 系统，效率平均提高了 420 倍。EvoCAST 支持 >10kb 的超大片段 DNA 整合，并介导了多种治疗性有效载荷在与疾病相关的基因组位点的整合（包括安全港位点、癌症免疫治疗工程位点，以及功能缺失遗传疾病相关基因位点）。此外，EvoCAST 还可在多种人类细胞类型（例如原代人类成纤维细胞）中进行靶向整合，并展现出高产物纯度：未检测到插入或缺失突变（indels），主要为单向插入，整合精度达单碱基对水平，且脱靶整合频率极低。PACE 进化而来的 CAST（EvoCAST），可在人类细胞中实现高效、可编程的基因整合值得一提的是，2024 年 6 月，刘如谦团队利用 PACE 技术对丝氨酸整合酶 Bxb1 进行了数百轮进化，开发出了 eePASSIGE 系统【4】，可实现 10kb 的超大片段 DNA 的高效整合（效率可达 35%）。刘如谦表示，EvoCAST 与 eePASSIGE 分别基于不同的整合机制，二者具有互补优势，eePASSIGE 的效率更高，但 evoCAST 的编辑纯度更高。此外，eePASSIGE 借助先导编辑器和重组酶，需要两步实现基因整合，而 evoCAST 只需一步，更为简单。总的来说，这项研究确立了 CAST 作为一种强大的平台技术，能够高效地在人类细胞中实现 RNA 引导的基因整合。evoCAST 的优势包括其简单的可编程性、一步整合机制以及避免 DNA 双链断裂，使其非常适合生命科学研究以及疾病治疗中的许多应用，包括通过一种通用基因编辑疗法解决遗传多样化的患者群体。更重要的是，该研究展示了如何通过实验室进化将天然存在的系统转化为强大的治疗工具，为改进其他天然存在的 CAST 系统以实现高效基因编辑提供了新策略。论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.aax9181https://www.nature.com/articles/s41586-019-1323-zhttps://www.science.org/doi/10.1126/science.adt5199https://www.nature.com/articles/s41551-024-01227-1设置星标，不错过精彩推文开放转载欢迎转发到朋友圈和微信群 微信加群 为促进前沿研究的传播和交流，我们组建了多个专业交流群，长按下方二维码，即可添加小编微信进群，由于申请人数较多，添加微信时请备注：学校/专业/姓名，如果是PI/教授，还请注明。点在看，传递你的品味

基因是生物遗传信息的基本单位，它们携带了构建和维持生物体所需的所有指令。当基因的特定区域产生突变或缺陷时，则可能导致各种遗传疾病，如囊性纤维化、镰状细胞贫血等。传统的基因治疗通常依赖于病毒载体将正常的基因导入细胞，但这种方法存在诸多局限性，比如潜在的致癌风险、以及基因表达的不可控性。近些年来，CRISPR/Cas9技术的诞生和应用彻底改变了基因编辑的格局。作为一种基于细菌免疫系统的基因编辑工具，它能够通过向导RNA识别特定的DNA序列，并利用Cas9蛋白进行切割或修饰。科学家只需更换向导RNA序列即可靶向不同基因，这使得科学家能够以前所未有的精准度“剪切”DNA。目前，CRISPR-Cas9技术可以高效地切断DNA双链，并通过细胞自身的修复机制引入小片段修改。但在插入大片段DNA，比如完整的基因方面仍然面临诸多挑战。然而，这种完整基因的替换对一些疾病是更好的选择。以囊性纤维化为例，CFTR基因中成百上千种不同的突变都可能导致囊性纤维化，因此需要大量不同的基因编辑疗法才能确保每位患者都能得到治疗。如果能有一种方式能将完整的健康基因插入基因组中，那么所有囊性纤维化患者都将能从这一疗法中受益。就在最新的《科学》杂志上，来自哈佛大学的刘如谦（David Liu）教授和哥伦比亚大学的Samuel H. Sternberg教授合作带来了一种全新基因编辑技术evoCAST。该技术可以通过编程将整个基因插入人类基因组中的特定位置，实现完整、健康基因的长期表达。此外，新技术的编辑方式简单，其编辑效率适用于基因治疗，有望实现临床治疗产品的研发。evoCAST技术中的CAST代表着CRISPR相关转座酶，这同样是细菌中天然存在的一类系统。转座酶可以帮助实现基因的“跳跃”，实现一种特殊的基因插入过程。CAST不仅能够插入大片段DNA，而且在此过程中还不会破坏染色体，相对来说更加安全。同时，CAST系统也具有可编程性，可以将插入片段定向导入到目标区域。然而，野生型CAST系统在人类细胞中的效率极低，通常不超过0.1%。为了更好地利用CAST系统，研究团队选取了一种加速蛋白质进化的工具——噬菌体辅助连续进化（PACE）来快速获得所需的转座酶。PACE是一种模拟自然选择过程的技术，它通过噬菌体的快速繁殖和突变，筛选出具有特定功能的蛋白质变体。在CAST的进化实验中，科学家们设计了一个巧妙的系统，将噬菌体繁殖与CAST的DNA插入效率联系起来。只有当CAST能够高效地将DNA插入到指定位置时，噬菌体才能成功繁殖。通过数百代的连续选择和进化，科学家们最终培育出了一个进化版的CAST系统，也就是evoCAST。▲研究示意图（图片来源：原始论文[1]）相较于野生型CAST，evoCAST系统在人类细胞中的表现有了质的飞跃。它在14个不同的基因组目标位点上实现了10%到30%的DNA插入效率，平均比野生型CAST提高了420倍。在测试中，evoCAST可以支持大片段的DNA插入，并且插入产物单向比例高，几乎没有插入缺失副产物。▲evoCAST抓住一条DNA（红色）（图片来源：George Lampe ，Columbia University Irving Medical Center）研究团队尝试借助evoCAST系统将凝血因子IX（F9）cDNA插入白蛋白（ALB）基因的内含子，并检测到了功能性蛋白表达。这对于血友病的治疗有着潜在的应用价值。目前，研究团队正尝试在更多模型系统中测试evoCAST系统的编辑作用，同时他们也在继续对evoCAST的组件进行更新，继续提升编辑效率。随着未来的技术优化，CRISPR/CAST技术有望成为基因编辑技术中的重要成员，推动基因疗法的进一步革新。参考资料：[1] Witte, I. P. et al. Programmable gene insertion in human cells with a laboratory-evolved CRISPR-associated transposase. Science 388, 722–730 (2025).欢迎转发到朋友圈，谢绝转载到其他平台。如有开设白名单需求，请在“学术经纬”公众号主页回复“转载”获取转载须知。其他合作需求，请联系wuxi_media@wuxiapptec.com。免责声明：本文仅作信息交流之目的，文中观点不代表药明康德立场，亦不代表药明康德支持或反对文中观点。本文也不是治疗方案推荐。如需获得治疗方案指导，请前往正规医院就诊。更多推荐点个“在看”再走吧~