Nat Commun | 周育斌/馬國林/鄧卿合作開發(fā)鈣信號(hào)精準(zhǔn)干預(yù)的可編程新工具—CRAB

鈣信號(hào)是真核細(xì)胞中最核心的第二信使之一，廣泛參與免疫應(yīng)答、發(fā)育、細(xì)胞增殖與凋亡等多種關(guān)鍵生理過程。其中，由 STIM 和 ORAI 蛋白介導(dǎo)的鈣釋放激活鈣通道（CRAC），是細(xì)胞外鈣離子進(jìn)入細(xì)胞的重要通路，在維持正常細(xì)胞功能中發(fā)揮著不可替代的作用。

然而，CRAC離子通道活性一旦失衡，往往會(huì)引發(fā)嚴(yán)重后果。其異常持續(xù)激活與多種“通道病”（channelopathies）密切相關(guān)，包括罕見遺傳病 Stormorken 綜合征，以及自身免疫性疾病、炎癥反應(yīng)甚至某些腫瘤的發(fā)生發(fā)展。因此，如何實(shí)現(xiàn)對(duì) CRAC離子 通道的精準(zhǔn)、可編程調(diào)控，一直是合成生物學(xué)與生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)問題。

近日，德州農(nóng)工大學(xué)周育斌課題組聯(lián)合普渡大學(xué)鄧卿課題組及 MD安德森癌癥中心馬國林博士團(tuán)隊(duì)在Nature Communications發(fā)表題為Engineering of genetically encoded programmable calcium channel inhibitory binders的研究論文。該研究由劉曉璇、藍(lán)天宏和Sher Ali 博士共同擔(dān)任第一作者。研究團(tuán)隊(duì)通過理性設(shè)計(jì)結(jié)合深度突變掃描，開發(fā)出一系列遺傳編碼的鈣通道抑制結(jié)合因子——CRABs（CRAC channel inhibitory binders），實(shí)現(xiàn)了對(duì)鈣信號(hào)在空間、時(shí)間和強(qiáng)度上的精準(zhǔn)控制，并展示出其在鈣通道功能亢進(jìn)相關(guān)疾病干預(yù)中的應(yīng)用潛力。

1. 從天然結(jié)構(gòu)到工程設(shè)計(jì)：CRAB 的誕生

研究團(tuán)隊(duì)將設(shè)計(jì)靶點(diǎn)鎖定在 ORAI 蛋白 C 端尾部。這一區(qū)域是 STIM 蛋白結(jié)合并激活 CRAC 通道的關(guān)鍵位點(diǎn)。基于“以子之矛，攻子之盾”的思路，研究人員設(shè)計(jì)并篩選了一系列來源于 ORAI 的肽段，希望利用競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合策略干擾 STIM–ORAI 耦聯(lián)。

在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步借助計(jì)算生物學(xué)工具及深度突變掃描技術(shù)系統(tǒng)優(yōu)化關(guān)鍵位點(diǎn)，最終獲得了一種高效的膜錨定型 CRAB 變體。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該變體能夠顯著阻斷 STIM–ORAI 相互作用，強(qiáng)力抑制鈣離子內(nèi)流，并有效削弱下游鈣敏感轉(zhuǎn)錄因子 NFAT 的激活（圖一）。

圖一：CRAB的設(shè)計(jì)原理。

這一結(jié)果說明，CRAB 并非簡(jiǎn)單的“抑制肽”，而是一類可被理性設(shè)計(jì)、性能可優(yōu)化的鈣信號(hào)干預(yù)模塊。

2. 從靜態(tài)抑制到動(dòng)態(tài)控制：構(gòu)建可編程 CRAB 平臺(tái)

為了進(jìn)一步賦予這一平臺(tái)動(dòng)態(tài)調(diào)控能力，研究團(tuán)隊(duì)將 CRAB 拓展為多個(gè)可編程版本，實(shí)現(xiàn)對(duì)鈣信號(hào)的分級(jí)、可逆和正交控制（圖二）。

首先，研究者開發(fā)了 Oligo-CRAB。通過構(gòu)建單體、二聚體和四聚體等不同聚集狀態(tài)，CRAB 對(duì)鈣電流的抑制強(qiáng)度得以分級(jí)調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)“劑量化”的功能輸出。

其次，團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了 Opto-CRAB。借助光敏蛋白模塊，研究者可以通過光照在細(xì)胞內(nèi)實(shí)時(shí)開啟或關(guān)閉 CRAB 的抑制作用，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鈣信號(hào)的時(shí)空精準(zhǔn)操控，并具備良好的可逆性（圖二）。

此外，研究者還開發(fā)了 Chemo-CRAB。這一系統(tǒng)利用小分子誘導(dǎo)的上膜與多聚化機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了對(duì) CRAC 通道抑制功能的化學(xué)遺傳學(xué)控制，為鈣信號(hào)調(diào)控提供了另一種高度模塊化、可正交編程的方式。

這些設(shè)計(jì)使 CRABs 從單一抑制分子升級(jí)為一個(gè)真正意義上的“分子工具箱”。它不僅可用于解析細(xì)胞內(nèi)鈣信號(hào)動(dòng)力學(xué)，也為合成生物學(xué)中的信號(hào)線路設(shè)計(jì)提供了新的“制動(dòng)器”。

圖二：CRAB工具的應(yīng)用場(chǎng)景。

3. 從機(jī)制驗(yàn)證到疾病干預(yù)：展現(xiàn)轉(zhuǎn)化應(yīng)用潛力

在疾病模型中，CRAB 平臺(tái)同樣表現(xiàn)出令人鼓舞的應(yīng)用前景。鄧卿團(tuán)隊(duì)的王德成博士首先在斑馬魚模型中驗(yàn)證了其體內(nèi)功能。在模擬 Stormorken 綜合征的斑馬魚中，由于 STIM1 持續(xù)激活，個(gè)體出現(xiàn)明顯的血小板減少癥樣表型；而引入 CRAB 后，這一異常表型得到顯著改善，提示其有望發(fā)展為針對(duì)鈣通道功能亢進(jìn)疾病的基因治療候選策略。

更值得關(guān)注的是，研究發(fā)現(xiàn) Chemo-CRAB 還能夠有效抑制由受體酪氨酸激酶（RTKs）、G 蛋白偶聯(lián)受體（GPCRs）以及 CAR-T 細(xì)胞激活所觸發(fā)的鈣信號(hào)。這意味著，CRAB 不僅可作為基礎(chǔ)研究工具，還有望用于調(diào)控免疫細(xì)胞治療中的過強(qiáng)激活反應(yīng)。例如，在 CAR-T 治療中，CRAB 有望充當(dāng)一種可編程“安全閥”，通過按需抑制過度激活的鈣信號(hào)，緩解細(xì)胞因子釋放綜合征（CRS）等嚴(yán)重毒副作用，同時(shí)延緩工程化免疫細(xì)胞的功能衰竭，從而提升細(xì)胞治療的安全性與可控性。

總體來看，這項(xiàng)工作建立了一個(gè)面向鈣信號(hào)精準(zhǔn)調(diào)控的全新平臺(tái)。CRABs作為一類遺傳編碼、可編程、可擴(kuò)展的鈣通道抑制因子，不僅為基礎(chǔ)研究提供了強(qiáng)有力的新工具，也為鈣信號(hào)異常驅(qū)動(dòng)疾病的精準(zhǔn)干預(yù)開辟了新的方向。

隨著光遺傳學(xué)、化學(xué)遺傳學(xué)和細(xì)胞治療技術(shù)的不斷發(fā)展，CRABs 平臺(tái)未來有望進(jìn)一步拓展至自身免疫病、炎癥性疾病、遺傳性通道病以及腫瘤免疫治療等多個(gè)場(chǎng)景，為“精準(zhǔn)操控細(xì)胞信號(hào)”這一目標(biāo)提供更加靈活而有力的解決方案。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-71769-2

制版人： 十一

參考文獻(xiàn)

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