北京时间10月27日凌晨，2024年合成生物学领域国际顶尖赛事——国际基因工程机器大赛（International Genetically Engineered Machine Competition，以下简称为iGEM）在法国巴黎会议中心落下帷幕。共有来自麻省理工学院、哈佛大学、牛津大学、清华大学、北京大学和上海交通大学等国内外知名学府的400余支顶尖队伍参赛。经过激烈的角逐，上海交通大学代表队SJTU-BioX-Shanghai凭借项目“XPCures”蝉联金牌，再一次展现了交大学子的实力和风采！
今年，SJTU-BioX-Shanghai团队聚焦于健康与疾病治疗。着色性干皮病（Xeroderma pigmentosum, XP）是一种常染色体隐性遗传病，在各大洲几乎全部种族里均有报道，患者对紫外线（Ultraviolet Radiation B，UV-B）高度敏感，日晒部位多发生水疱、表皮增生和肿瘤等，2/3的患者于20岁前死亡，目前尚未有治愈XP的方法。团队成员聚焦于发病率最高的C型着色性干皮病（XPC），发病原因是由于XPC基因突变导致DNA修复蛋白异常，从而无法修复紫外线照射造成的DNA损伤。受植物中一种响应紫外线的系统启发，团队成员决定设计一种全新的紫外线响应基因开关，实现XPC基因在患者体内的可控表达，将致病的UV-B转化为治疗的UV-B。
UVR8是拟南芥中的一种紫外线光敏蛋白，受紫外线激活后可以入核并与COP1蛋白发生相互作用，RUP2蛋白可以竞争性结合UVR8从而解离UVR8与COP1的相互作用。队员们将植物中的这套紫外线响应系统与转录调控元件相结合，开发了一种以光遗传技术为控制端、基因治疗为基础的新型疗法。队员们分别将UVR8和COP1基因与VP64和GAL4的结合域相结合，利用GAL4与5×UAS序列结合的定位作用以及UV-B照射后UVR8与COP1的相互作用，拉近转录激活因子VP64与CMV启动子的距离，从而高效启动下游基因的表达。同时，队员们将RUP2基因引入该系统，构建一种负反馈调控机制，将RUP2基因通过P2A序列连接在目标基因XPC的后面，并通过稀有密码子的同义替换对RUP2进行序列优化，使得当XPC蛋白表达到合适浓度后关闭基因表达，避免外源递送非整合性XPC基因进入哺乳动物细胞可能造成的过表达危害。该套系统可通过腺相关病毒递送系统借助微针透皮递送至皮肤基底层细胞实现替代治疗。
在293T细胞中成功验证了UVR8-COP1和UVR8-RUP2的相互作用后，队员们首先用GFP作为报告基因验证得到紫外线可以高效启动基因表达。随后，将荧光素酶luciferase基因作为报告基因进行实时监测，定量得到了紫外线基因开关的有效性和低泄漏性以及RUP2对整个系统的负反馈作用。
成功构建响应紫外线的基因开关后，将报告基因换成XPC基因，通过Western blot实验成功验证了UV-B照射后XPC基因的高效表达以及RUP2的负反馈调控作用。最后，在人源角质形成细胞上转入该系统进行功能测试。令人兴奋的是，XPC基因缺失的角质形成细胞在UV-B照射后大量凋亡，而转入该系统的XPC基因缺失细胞的存活率接近正常细胞水平，强有力地证明了响应紫外线的基因开关系统的有效性，该系统可能为未来着色性干皮病治疗提供新的思路。
SJTU-BioX-Shanghai团队通过“分子-细胞-组织”多尺度建模，对实验方案进行了可行性测试、参数调优和延伸探索。分子动力学模拟验证了项目核心设计，即RUP2通过与COP1竞争结合UVR8实现负反馈调控和“开关重置”。常微分方程模型用于描述细胞区室中各基因元件对紫外信号的响应动力学。傅里叶振幅敏感性分析表明，XPC的mRNA翻译效率是影响其表达水平的关键因素，故团队通过改进预训练的mRNA大语言模型实现了mRNA序列到蛋白表达的端到端预测，并开发优化算法支持下一代mRNA序列设计。有限元模拟表征了XP治疗药物通过微针透皮递送的过程，为紫外诱导的皮肤治疗药物设计提供了新见解。
与此同时，SJTU-BioX-Shanghai利用多种分析工具，分析了所有潜在的利益相关方，根据他们的社会属性以及对项目的影响，将他们分成不同类别，并制定了不同的交流方案。同时，团队成员积极与社会各界的利益相关方交流，根据他们的反馈，不断优化项目，让XPCures更加安全、有效地满足患者的需求。此外，SJTU-BioX-Shanghai还设想了XPCures从基础研究落地为医疗产品的未来发展道路，详细地阐述了专利申请、临床前试验、临床试验、研究者发起的临床研究、进入市场等过程的步骤。通过采访政府、医院伦理委员会的从业者，了解了针对罕见病基因治疗研发的特殊政策以及安全伦理考虑。在推进项目的过程中，团队成员逐渐勾勒出罕见病患者群体的社会处境画像，呼吁社会各界关注这个社会群体，充分体现对罕见病患者的人文关怀。
在本赛季中，SJTU-BioX-Shanghai团队能够顺利完赛，离不开所有团队成员和老师的辛苦付出，也离不开来自世界各个队伍的热情帮助。在与SJTU-Software、PekingHSC、Sydney-Australia等队伍的交流合作中，参赛队员收获满满，拓展了视野，也收获了友谊。令人开心的是，队员们与SJTU-BioX-Shanghai团队2019和2022届队员王韵晴（现在Caltech）和闫奕潇(现在Michigan)同学在赛场重逢！两位同学此次分别担任大赛评委和赛会大使，也祝贺她们！
SJTU-BioX-Shanghai团队由贺林院士领衔，马钢副研究员、莫茜研究员（上海儿童医学中心）、胥川副研究员和王毓舒老师指导，由来自生命科学技术学院的郑瑜娴同学担任队长，团队成员还包括来自生命科学技术学院的高翔、崔益豪、许菡玉、涂然，致远学院的舒子栋、魏宏宇、唐洪果，生物医学工程学院的李恩然，农业与生物学院的赵泽正，药学院的成昊洋，医学院的王革、姚嘉一，共12名本科生以及高中生傅逸佳。2023年团队的队长杨祯熙，队员江向海和张可昕担任技术顾问。在此也要特别鸣谢华东师范大学叶海峰研究员为本项目提供的帮助，以及锦宏教育、南京宝利化、棕榈大道对本项目的经费支持！
项目详细信息可参考团队Wiki：https://2024.igem.wiki/sjtu-biox-shanghai/index.html
