撰文丨王聰

編輯丨王多魚

排版丨水成文

隨著時(shí)間的推移，基因表達(dá)的微小變化能夠?qū)е录?xì)胞命運(yùn)的分化。內(nèi)源基因和合成基因的過表達(dá)可驅(qū)動(dòng)并重定向天然生物學(xué)過程，同時(shí)增強(qiáng)細(xì)胞原有功能。然而，要確定哪些轉(zhuǎn)基因會(huì)引發(fā)這些微妙效應(yīng)，需要精細(xì)的表達(dá)調(diào)控手段，而針對(duì)劑量敏感機(jī)制的精準(zhǔn)控制在技術(shù)層面仍存在挑戰(zhàn)。

特別值得關(guān)注的是，基因表達(dá)的非線性效應(yīng)會(huì)模糊表型正負(fù)調(diào)控關(guān)系的推斷。支持表達(dá)水平精確定量的工具揭示了調(diào)控因子表達(dá)量與表型之間存在的非單調(diào)關(guān)聯(lián)關(guān)系。盡管 CRISPR 技術(shù)衍生的基因敲除、敲低和激活等大規(guī)模篩選工具有助于識(shí)別線性調(diào)控因子，但這些方法往往分辨率不足，難以發(fā)現(xiàn)與表型存在非線性關(guān)聯(lián)的調(diào)控基因。此類基于 CRISPR 的篩選體系也無法預(yù)測轉(zhuǎn)基因過表達(dá)對(duì)細(xì)胞行為的影響。

在轉(zhuǎn)基因技術(shù)被越來越多地用于增強(qiáng)細(xì)胞功能和程序化調(diào)控細(xì)胞命運(yùn)的背景下，開發(fā)可擴(kuò)展的新型工具已迫在眉睫，這類工具應(yīng)能有效識(shí)別具有復(fù)雜功能的調(diào)控因子，并闡明它們對(duì)生理相關(guān)表型的調(diào)控作用。

2025 年 10 月 13 日，麻省理工學(xué)院的研究人員在Nature Biotechnology期刊發(fā)表了題為：Programmable promoter editing for precise control of transgene expression 的研究論文。

在合成生物學(xué)迅速發(fā)展的背景下，精準(zhǔn)調(diào)控基因表達(dá)的能力一直是人們最為渴望攻克的難題。該研究推出了一個(gè)名為DIAL（Dynamically Editable Artificial Loci）的新框架，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)基因表達(dá)前所未有的精準(zhǔn)調(diào)控。

這項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)超越了傳統(tǒng)的基因激活和抑制二元策略，能夠?qū)崿F(xiàn)可遺傳的、精準(zhǔn)調(diào)控的表達(dá)水平范圍，滿足了研究和治療領(lǐng)域?qū)Ω鼜?fù)雜控制手段的迫切需求。

基因表達(dá)的微小變化就足以引導(dǎo)細(xì)胞進(jìn)入不同狀態(tài)。識(shí)別和控制劑量依賴型轉(zhuǎn)基因需要能夠精確調(diào)節(jié)表達(dá)水平的工具。

在這項(xiàng)最新研究中，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一個(gè)高度模塊化、可擴(kuò)展的框架——DIAL，用于構(gòu)建可編輯的啟動(dòng)子，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)基因表達(dá)的精細(xì)、可遺傳的調(diào)控。

DIAL 的核心在于使用一種合成鋅指轉(zhuǎn)錄因子（synthetic zinc finger transcription factor），其活性隨著間隔序列的依次移除而逐步增強(qiáng)。通過在啟動(dòng)子內(nèi)嵌套不同數(shù)量和長度的間隔序列，研究團(tuán)隊(duì)從單一基因構(gòu)建體上設(shè)計(jì)出了一組可在單峰譜上進(jìn)行調(diào)控的“設(shè)定點(diǎn)”。這種嵌套間隔序列的架構(gòu)使細(xì)胞能夠穿越并鎖定在可由靶向重組酶作用精確選擇的中間轉(zhuǎn)錄狀態(tài)。這種多層控制為基因表達(dá)調(diào)控引入了更精細(xì)的粒度，為轉(zhuǎn)錄可調(diào)控性設(shè)定了新的標(biāo)準(zhǔn)。

利用 DIAL 技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)通過重組酶介導(dǎo)的切除合成鋅指轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)與核心啟動(dòng)子之間的間隔序列來增加表達(dá)。通過嵌套不同數(shù)量和長度的間隔序列，DIAL 能夠從單個(gè)啟動(dòng)子生成可調(diào)的單峰設(shè)定點(diǎn)范圍。通過小分子對(duì)轉(zhuǎn)錄因子和重組酶的控制，DIAL 支持用戶引導(dǎo)的、時(shí)間定義明確的轉(zhuǎn)基因表達(dá)調(diào)控，并且可擴(kuò)展到其他轉(zhuǎn)錄因子。這種化學(xué)誘導(dǎo)性提供了可逆且由用戶引導(dǎo)的劑量控制，從而能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)方案，在其中基因表達(dá)模式可以按需編程、改變或維持。這種時(shí)間上的精確性對(duì)于需要分階段發(fā)育信號(hào)或逐步激活治療基因的應(yīng)用至關(guān)重要。

與慢病毒遞送系統(tǒng)的兼容性，進(jìn)一步證明了 DIAL 的多功能性，將 DIAL 構(gòu)建體整合到慢病毒中，在異質(zhì)性的原代細(xì)胞和誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPSC）中產(chǎn)生了多個(gè)不同的表達(dá)水平，從而為在與人體生理高度相似的系統(tǒng)中剖析劑量依賴性生物學(xué)現(xiàn)象提供了強(qiáng)大的工具。

DIAL 最具吸引力的特點(diǎn)之一在于，啟動(dòng)子編輯后能夠產(chǎn)生穩(wěn)定且可遺傳的表達(dá)狀態(tài)。與誘導(dǎo)劑撤除后表達(dá)會(huì)減弱的瞬時(shí)誘導(dǎo)系統(tǒng)不同，重組酶介導(dǎo)的缺失將細(xì)胞鎖定在固定的轉(zhuǎn)錄設(shè)定點(diǎn)，這種狀態(tài)會(huì)持續(xù)到細(xì)胞分裂。這為長期譜系追蹤和表型圖譜繪制創(chuàng)建了一個(gè)強(qiáng)大的平臺(tái)，使科學(xué)家能夠以一致的方式隨時(shí)間推移將特定轉(zhuǎn)基因劑量與細(xì)胞行為、命運(yùn)決定或疾病狀態(tài)相關(guān)聯(lián)。

利用 DIAL，研究團(tuán)隊(duì)將成纖維細(xì)胞直接轉(zhuǎn)化為誘導(dǎo)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元，通過將轉(zhuǎn)基因表達(dá)調(diào)控至多個(gè)穩(wěn)定水平，能夠繪制出不同表達(dá)水平如何影響運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元誘導(dǎo)的效率和準(zhǔn)確性。這一應(yīng)用突顯了對(duì)基因劑量進(jìn)行精細(xì)調(diào)控能夠顯著優(yōu)化細(xì)胞命運(yùn)工程策略，有望改善針對(duì)神經(jīng)退行性疾病的再生醫(yī)學(xué)方法。

總的來說，DIAL 有望極大地提高合成基因回路的精確性和可預(yù)測性。在基因治療應(yīng)用中，治療性轉(zhuǎn)基因的劑量控制對(duì)于安全性和有效性至關(guān)重要，而 DIAL 能夠降低因過表達(dá)或表達(dá)不足而帶來的風(fēng)險(xiǎn)。此外，在發(fā)育生物學(xué)和疾病建模背景下，能夠穩(wěn)定固定中間表達(dá)狀態(tài)的能力，為剖析基因功能和調(diào)控網(wǎng)絡(luò)提供了更多的實(shí)驗(yàn)可能性。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41587-025-02854-y