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研究提出精準(zhǔn)可控的哺乳動(dòng)物細(xì)胞基因表達(dá)系統(tǒng)
作者：刁雯蕙 來(lái)源：中國(guó)科學(xué)報(bào) 
山東拓普生物工程有限公司  http://xhztyn.cn
3月18日，中科院深圳先進(jìn)院合成所婁春波課題組與北京大學(xué)物理學(xué)院定量生物學(xué)中心歐陽(yáng)頎、錢(qián)瓏團(tuán)隊(duì)的合作成果發(fā)表于《自然—通訊》。
研究人員通過(guò)在哺乳動(dòng)物構(gòu)建人工正交轉(zhuǎn)錄系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了單個(gè)和多個(gè)啟動(dòng)子轉(zhuǎn)錄活性的精準(zhǔn)微調(diào)，構(gòu)建了具有預(yù)測(cè)能力的多基因表達(dá)量的定量熱力學(xué)模型，并將這個(gè)定量模型應(yīng)用于甲型流感病毒（H1N1）病毒樣顆粒（VLP）組分與產(chǎn)量的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中，精確調(diào)控基因線路對(duì)于細(xì)胞適應(yīng)環(huán)境、穩(wěn)態(tài)維持和發(fā)育分化等生理功能至關(guān)重要。關(guān)鍵基因表達(dá)量過(guò)量或不足都可能導(dǎo)致癌癥等重要疾病。多個(gè)細(xì)胞命運(yùn)決定因子表達(dá)劑量也是重塑細(xì)胞命運(yùn)分化和發(fā)育的關(guān)鍵因素。
但在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中，基因表達(dá)受到基因順序、基因組位置等多種復(fù)雜因素的影響，使得精確控制基因表達(dá)劑量變得非常困難。因此，亟需開(kāi)發(fā)模塊化、不受細(xì)胞類(lèi)型影響且可編程的基因表達(dá)系統(tǒng)。
對(duì)此，研究人員提出了一種設(shè)計(jì)策略，旨在開(kāi)發(fā)一種模塊化、獨(dú)立于宿主的正交型轉(zhuǎn)錄系統(tǒng)。該正交型轉(zhuǎn)錄系統(tǒng)由正交型啟動(dòng)子庫(kù)和單體RNA聚合酶（RNAP）組成。該系統(tǒng)通過(guò)將RNA加帽酶與單體RNAP融合，可確保原核來(lái)源的單體RNAP在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中按照“跨域”方式實(shí)現(xiàn)基因轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)錄后修飾、出核和翻譯等真核系統(tǒng)蛋白質(zhì)表達(dá)的必需步驟。
研究發(fā)現(xiàn)了不同基因表達(dá)活性的競(jìng)爭(zhēng)效應(yīng)，并建立了定量的熱力學(xué)模型。針對(duì)兩個(gè)基因的競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個(gè)哺乳動(dòng)物細(xì)胞系中的兩個(gè)報(bào)告基因。在這個(gè)雙報(bào)告基因體系中，每個(gè)報(bào)告基因由正交型啟動(dòng)子庫(kù)中的七個(gè)代表性啟動(dòng)子之一控制，共有49種不同的組合。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，一個(gè)基因的強(qiáng)啟動(dòng)子顯著降低了另一個(gè)基因的表達(dá)。這個(gè)結(jié)果證明了兩個(gè)報(bào)告基因在競(jìng)爭(zhēng)有限資源（ [RNAP]free）。因此，研究提出了利用[RNAP]free取代的[RNAP]tot的新型熱力學(xué)方程式。
此外，為證實(shí)正交轉(zhuǎn)錄系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，研究團(tuán)隊(duì)使用定量熱力學(xué)模型優(yōu)化了病毒樣顆粒的多個(gè)亞基的基因表達(dá)劑量。
綜上，該研究開(kāi)發(fā)了一種模塊化、可編程的正交型轉(zhuǎn)錄調(diào)控系統(tǒng)。該研究還建立了基于胞內(nèi)資源競(jìng)爭(zhēng)和結(jié)合能的定量熱力學(xué)理論模型，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)哺乳動(dòng)物細(xì)胞中多個(gè)基因表達(dá)劑量的精確設(shè)計(jì)和預(yù)測(cè)。通過(guò)利用這種正交型轉(zhuǎn)錄系統(tǒng)，研究團(tuán)隊(duì)還成功地優(yōu)化了甲型流感病毒的病毒樣顆粒，為新型高效甲型流感疫苗的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)提供了潛力。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-023-37244-y
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