定向进化是一种人为加速的自然进化过程。其理念是将进化过程集中在单个DNA序列上，使其执行特定的任务。从原则上讲，定向进化可以用来开发能够有效阻止疾病且几乎没有副作用的新疗法。关于定向进化的开创性科学研究获得了2018年诺贝尔化学奖。
但是现有的定向进化方法费力耗时，而且通常应用于细菌，限制了其在人类细胞中进化蛋白质的实用性。而近日，据《细胞》杂志报道，美国北卡罗来纳大学医学院的科学家们创造了一种强大的新型“定向进化”技术，能够在几天内通过进化几种蛋白质完成精确的新任务，将来可用于快速开发科学工具和许多疾病的新疗法。
“我们所开发的是迄今为止在哺乳动物细胞定向进化方面最强大的系统，”该研究的主要作者、北卡罗来纳大学医学院药理学博士后研究员Justin English博士说。“科学界长期以来一直需要这样一种工具。”该研究的通讯作者、北卡罗来纳大学医学院药理学博士、医学博士Bryan L. Roth说。
定向进化的广义概念并不新鲜。几个世纪以来，研究人员一直在用它来选择和培育具有所需特性的动植物变种，比如果实较大的农作物品种。近几十年来，生物学家也在实验室中进行分子水平上的定向进化，例如，随机变异一个基因，直到出现一个具有所需特性的变异。但从整体上看，生物分子定向进化方法一直难以应用，且应用范围有限。
而由Roth、English及其同事开发的新方法相对来说是快速、简单和通用的。它使用Sindbis病毒作为被修改基因的载体。携带遗传物质的病毒可以感染培养皿中的细胞并迅速变异。研究人员设定了条件，使唯一能够存活的突变基因是编码蛋白质的基因，这些蛋白质能够在细胞内完成所需的功能，例如激活某种受体，或开启某种基因。由于该系统在哺乳动物细胞中发挥作用，它可以用来进化新的人类、小鼠或其他哺乳动物蛋白，而传统的基于细菌细胞的方法很难或根本不可能产生这些蛋白。
English和他的同事们将这种新的称为“基因驱动序列病毒进化系统”。一开始，Roth的实验室对一种叫做四环素反式激活因子(tTA)的蛋白质进行了改造。tTA是一种激活基因的开关，是生物学实验中使用的标准工具。通常情况下，如果tTA遇到四环素或与之密切相关的多西环素，它就会停止工作，但研究人员进化出了一种具有22个突变的新版本，使tTA能够在高水平的多西环素作用下继续发挥作用，整个过程只用了7天。
English说：“先前报道的一种应用于四环素转活化剂的哺乳动物定向进化方法，用了4个月的时间只产生了两种突变，而这种突变只导致了对强力霉素的部分不敏感。相比之下我们可以看到新方法的有效性。”
接下来，科学家们将VEGAS应用于一种叫做G蛋白偶联受体（GPCR）的常见细胞受体。人类细胞上有数百种不同的GPCR，其中许多都是现代药物治疗多种疾病的靶标。当一个给定的GPCR从不活跃状态转变为活跃状态时，它是如何改变形状的？这对于试图创造更精确治疗方法的研究人员来说是非常有趣的。English和同事们利用VEGAS快速突变了一种很少被研究的GPCR——MRGPRX2，这样它就会一直保持活跃状态。
English说：“识别在这种快速进化过程中发生的突变，帮助我们首次了解了受体蛋白中参与向活跃状态转变的关键区域。”
最后，该团队展示了VEGAS更加直接地指导药物开发的潜力。他们利用VEGAS快速进化出一种叫做纳米体的小生物分子，这种分子可以激活不同的GPCR——包括血清素和多巴胺受体（存在于脑细胞中，是许多精神药物的靶标）。
该团队目前正在利用VEGAS开发高效的基因编辑工具，可能用于治疗遗传疾病，并设计能够中和致癌基因的纳米体。
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编译：花花 审稿：阿淼 责编：张梦
期刊来源：《细胞》 期刊编号：0092-8674
原文链接：https://phys.org/news/2019-07-scientists-fast-method-evolution-molecules.html
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