Nature Biotechnology：麻省理工学院开发了一种新系统，可以调节合成基因的表达

麻省理工学院的工程师设计了一种称为 DIAL 的控制机制，使他们能够为任何合成基因回路建立所需的蛋白质水平或设定点。

　　

几十年来，合成生物学家一直在开发可以转移到细胞中的基因回路，用于将干细胞重新编程为神经元或生成有助于治疗脆性 X 综合征等疾病的蛋白质等应用。

这些基因回路通常由非致病性病毒等载体递送到细胞中。然而，很难确保这些细胞最终能够产生正确数量的合成基因编码的蛋白质。

为了克服这一障碍，麻省理工学院的工程师们设计了一种新的控制机制，使他们能够为任何基因回路设定所需的蛋白质水平或设定点。这种方法还允许他们在电路交付后编辑设定点。

“这是一个非常稳定且多功能的工具。该工具高度模块化，因此你可以用这个系统控制很多转基因，”麻省理工学院化学工程助理教授、这项新研究的资深作者Katie Galloway)说道。

利用这一策略，研究人员证明他们可以诱导细胞产生稳定水平的目标蛋白。在他们演示的一项应用中，他们通过高水平导入促进小鼠胚胎成纤维细胞转化为运动神经元的基因。

麻省理工学院研究生 Sneha Kabaria 是该论文的主要作者，该论文发表在 《自然生物技术》杂志上。其他作者包括 24 届毕业生 Yunbeen Bae；麻省理工学院研究生 Mary Ehmann、Brittany Lende-Dorn、Emma Peterman 和 Kasey Love；25 届博士毕业生 Adam Beitz；以及前麻省理工学院博士后 Deon Ploessl。 

拨动基因表达

合成基因回路不仅包含目标基因，还包含启动子区域。转录因子和其他调控因子可以结合在此位点，从而启动合成基因的表达。

然而，让一个群体中的所有细胞以均匀的水平表达目标基因并不总是可行的。原因之一是，有些细胞可能只占用一个基因回路拷贝，而另一些细胞则占用更多拷贝。此外，细胞自身产生的蛋白质量也存在天然差异。

这使得细胞重编程变得极具挑战性，因为很难确保皮肤细胞群中的每个细胞都能产生足够的必要转录因子，从而成功转变为新的细胞身份，例如神经元或诱导多能干细胞。 

在这篇新论文中，研究人员设计了一种通过改变合成基因与其启动子之间的距离来控制基因表达水平的方法。他们发现，当启动子区域和基因之间有较长的DNA“间隔区”时，基因的表达水平会降低。他们表明，这种额外的距离降低了与启动子结合的转录因子有效启动基因转录的可能性。

然后，为了创建可编辑的设定点，研究人员在间隔区内加入了可被Cre重组酶切除的位点。由于间隔区的部分被切除，它有助于将转录因子拉近到目标基因的位置，从而引发基因表达。

研究人员证明，他们可以构建具有多个切除点的间隔区，每个切除点由不同的重组酶靶向。这使得他们能够创建一个名为DIAL的系统，用于设定基因表达的“高”、“中”、“低”和“关闭”设定点。

将携带基因及其启动子的 DNA 片段递送到细胞中后，可以将重组酶添加到细胞中，从而可以随时编辑设定点。

研究人员通过传递不同荧光蛋白和功能基因在小鼠和人类细胞中展示了他们的系统，并表明他们可以在目标水平上在细胞群体中获得统一的表达。

“我们实现了均匀稳定的控制。这对我们来说非常令人兴奋，因为缺乏均匀稳定的控制一直是限制我们构建可靠合成生物学系统能力的因素之一。当影响系统的变量太多，再加上正常的生物变异，构建稳定的系统就变得非常困难”。

重编程细胞

为了展示DIAL系统的潜在应用，研究人员随后利用该系统将不同水平的HRas ^{G12V基因递送至小鼠胚胎成纤维细胞。此前已证实这种HRas变体能够提高成纤维细胞转化为}神经元 的速度 。麻省理工学院的研究小组发现，在接受更高剂量该基因的细胞中，有更大比例的细胞能够成功转化为神经元。

利用该系统，研究人员现在希望对能够诱导细胞向不同细胞类型转变的不同转录因子进行更系统的研究。这类研究可以揭示这些因子的不同水平如何影响成功率，以及改变转录因子水平是否会改变产生的细胞类型。

在正在进行的工作中，研究人员已经证明 DIAL 可以与他们之前开发的系统 ComMAND相结合，该系统使用前馈回路来帮助防止细胞过度表达治疗基因。 

研究人员表示，结合使用这些系统，可以定制基因疗法，在个体患者的靶细胞中产生特定的、一致的蛋白质水平。

“这让我们感到很兴奋，因为 DIAL 和 ComMAND 都是高度模块化的，所以你不仅可以获得一种对特定人群具有普遍性的、控制良好的基因疗法，而且理论上还可以针对任何特定的人或任何特定的细胞类型进行定制”。