主要观点总结
本文介绍了磷酸化信号网络在细胞适应环境变化、传递外界信号以及执行复杂细胞功能中的关键作用。美国莱斯大学的Caleb Bashor团队在人体细胞内构建了一个全新的磷酸化信号网络设计框架，通过模块化蛋白质结构域的组合和功能优化，实现了快速可逆、动态响应的人工信号网络。该研究为开发基于细胞的生物传感器和智能化的细胞治疗平台提供了新的思路。
关键观点总结
关键观点1: 磷酸化信号网络在细胞功能中的关键作用
磷酸化信号网络是细胞适应环境变化、传递外界信号以及执行复杂细胞功能的关键。它通过酶促磷酸化和去磷酸化循环，将胞外信号转化为细胞内部的响应。
关键观点2: 磷酸化信号网络设计的挑战与突破
磷酸化信号网络的工程化研究尚处于起步阶段，尤其是在哺乳动物细胞中。来自美国莱斯大学的Caleb Bashor团队在人体细胞内构建了一个全新的磷酸化信号网络设计框架，实现了快速可逆、动态响应的人工信号网络。
关键观点3: 人工磷酸化信号网络的设计框架
该研究通过模块化蛋白质结构域的组合和功能优化，构建了人工激酶和磷酸酶，并实现了人工信号网络的快速响应。该框架具备高度的模块化和可编程性，能够通过多层级连接和信号放大实现复杂的信号处理功能。
关键观点4: 人工磷酸化信号网络的潜在应用
人工磷酸化信号网络在生物传感、细胞治疗以及其他生物技术应用中具有重要的潜在应用价值。它们可以用于实时监测和响应分钟级的生理或病理事件，为精准医疗提供强有力的支持。
正文
磷酸化信号网络在细胞适应环境变化、传递外界信号以及执行复杂细胞功能中起到了关键作用。这种动态而复杂的信号网络通过酶促磷酸化和去磷酸化循环，将胞外信号迅速而高效地转化为细胞内部的多种响应，包括基因表达、分泌代谢、细胞迁移等生物学过程。在高等动物的细胞中，磷酸化信号网络构成了一个多层级的体系，允许细胞在极短的时间内对外界刺激做出适应性反应。这种快速的动态调控能力是许多重要生物学过程得以实现的基础。然而，尽管磷酸化信号网络在自然界中表现出卓越的复杂性和高效性，其人工设计与重构却面临诸多挑战。与遗传电路的工程化相比，磷酸化信号网络的设计因其动态性和快速性而更加复杂。在基因工程领域，模块化的启动子和编码区的组合设计已催生了多种复杂的基因电路，同时也开发出了一系列的模型预测工具，能够对设计结果进行定量预测并优化。相比之下，磷酸化信号网络的工程化研究尚处于起步阶段，尤其是在哺乳动物细胞中的研究。近日，来自美国莱斯大学的Caleb Bashor团队 (https://bashorlab.rice.edu) 在Science上在线发表题为Engineering synthetic phosphorylation signaling networks in human cells 的突破性研究（一作为杨晓宇），在人体细胞内创新性地构建了一个全新的磷酸化信号网络设计框架，通过模块化蛋白质结构域的组合和功能优化，实现了快速可逆、动态响应的人工信号网络。该工作为开发基于细胞的生物传感器提供了新的思路，实时监测特定生理信号或疾病标志物；也可以用来构建智能化的细胞治疗平台，自动响应病理信号并执行治疗功能。文章作者首先着眼于设计可编程的磷酸化和去磷酸化循环，作为合成信号网络的基础单元。作者从天然免疫信号通路中选取了具有特异性的蛋白激酶和磷酸酶结构域，并通过与异源的蛋白相互作用结构域（如亮氨酸拉链 leucine zipper）相结合，构建了人工激酶（synKin）和磷酸酶（synPhos）。在人体细胞实验中，这些人工激酶能够有效磷酸化设计的底物蛋白（synSub），而人工磷酸酶则可逆地移除这些磷酸基团。重要的是，这些功能仅在特定的蛋白质相互作用中发生，避免了与宿主细胞信号通路的交叉干扰。此外，结合数学建模，研究者们还建立了一个非平衡热力学模型，能够准确预测不同设计组合的磷酸化行为。这一模型不仅验证了设计的功能模块化，还为后续信号回路的优化提供了理论指导。基于单层磷酸化循环，研究进一步构建了基于磷酸化的多层级人工信号网络。这些网络通过磷酸化依赖的蛋白-蛋白相互作用，建立了上游信号和下游信号之间的功能连接。例如，通过设计一个“磷酸化耦合蛋白”（PC），实现了将上游的磷酸化信号传递到下游目标的功能。PC 融合了激酶结构域和底物序列，通过一个刚性连接域限制自身磷酸化，从而在上游信号激活时启动下游信号循环。实验验证表明，上游 synKin 的磷酸化活动能够有效招募并激活下游 synSub，从而实现信号的顺序传递。这种多层信号网络展示了系统级的信号处理能力，包括显著的输入信号放大和精确的输出控制。模型预测与实验数据的一致性表明，这种模块化设计框架具备高度的可预测性和扩展潜力，为复杂的信号网络工程提供了新工具。此外，研究团队开发了结合人工细胞表面受体的信号传导网络。设计的受体包含跨膜结构、胞外结合域（FKBP 和 FRB*）及胞内synKin。通过配体诱导的二聚化，受体有效促进 synKin 激活 synSub，并进一步耦合到磷酸化信号循环。为了评估此受体介导的磷酸化传感器的激活时间，研究引入实时荧光追踪系统，通过监测 EGFP 标记的 synSub 在细胞内液-液相分离中的分布，精准观察到配体加入后 10 分钟内信号响应，并在 1 小时内达到稳态。同时，抑制 synKin 后发生快速的 synPhos 依赖性去共定位现象，证明系统具备快速响应与可逆性，展现出和天然信号通路类似的性质。最后，为了展示这一设计框架的转化潜力，团队开发了一种独特的感应和响应回路，能够检测肿瘤坏死因子-α（TNF-α）并动态调控其水平。TNF-α 是由 T 细胞分泌的细胞因子，通常在炎症反应中起到关键作用，而过量的 TNF-α 会导致多种炎症相关疾病。设计的回路通过分泌抗炎因子白介素-10（IL-10）来抑制 TNF-α 的水平。为了验证这一回路的功能，团队将能够识别 TNF-α 的单链抗体片段（scFvs）附加到设计的受体上，同时用 IL-10 替代了下游的荧光蛋白报告基因。包含这一感应-响应回路的工程化细胞被引入到与 CD3 和 CD28 激活的人外周血单核细胞（PBMCs）共培养的体系中，未包含回路的细胞显示 TNF-α 快速积累，并伴随着 T 细胞的强烈增殖。而包含闭环感应-响应回路的细胞不仅抑制了 T 细胞增殖，还在 12 小时内迅速实现了 TNF-α 和 IL-10 的低稳态浓度。磷酸化信号回路的快速激活和去激活特性是实现这一功能的关键。而其他依赖于分子水平缓慢机制的回路设计（如转录或蛋白降解）可能无法达到类似的效果。这一闭环控制系统展示了合成信号网络在细胞治疗中的巨大潜力，为开发高效、精准的炎症治疗策略提供了全新的解决方案。本研究展示了人工磷酸化信号网络在人体细胞中的可行性与潜力，为合成生物学领域开辟了新方向。这种设计框架不仅具有高度的模块化和可编程性，还能够通过多层级连接和信号放大实现复杂的信号处理功能。这些成果将在生物传感、细胞治疗以及其他生物技术应用中发挥重要作用。未来，进一步优化和扩展这一框架将为更复杂的信号网络设计提供可能。例如，通过引入新的蛋白质结构域或利用计算机辅助设计，可扩展当前部件集合的功能，并提高回路的催化效率和动态调控能力。此外，多位点磷酸化的结合和布尔逻辑功能的实现，将使信号网络具备更强的计算能力和动态适应性，从而实现复杂的反馈控制和超敏响应。由于这一信号网络基于蛋白质的翻译后调控，能够实现快速、可逆的信号响应，未来可将其应用于实时监测和响应分钟级的生理或病理事件。与基于转录或蛋白降解等缓慢分子机制的回路相比，这种快速响应特性在动态信号处理与精确治疗中具有明显优势。结合人源蛋白质结构域的低免疫原性特点，该框架设计的信号回路有望通过基因或细胞工程技术递送至临床相关细胞类型，为精准医疗提供强有力的支持。最后，人工磷酸化信号网络的“即插即用”特性使其能够与多种受体输入相结合，感知小分子、生物活性因子或疾病标志物。这一设计框架不仅能够在平行于天然信号通路的情况下运行，还能实现天然信号通路无法实现的定制化功能。因此，作者预期，这些人工信号网络将在诊断、治疗和细胞工程等领域开启新的可能，为精准医疗和生物技术创新提供重要助力。http://doi.org/10.1126/science.adm8485制版人：十一
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