Cell：反其道而行之，弱转录因子协同工作效果更好

　　生物工程学家可以定制细胞基因组，从而创造出抗击疾病的 "细胞疗法"，但他们发现很难设计出名为转录因子的专门激活蛋白，这种蛋白可以打开生物工程基因的开关，而不会偶尔开启细胞中的某些天然基因。

　　

在《细胞》在线发表的一项研究中，来自莱斯大学、波士顿大学、哈佛医学院、达特茅斯学院和哈佛大学威斯研究所的生物工程师表明，他们可以使用一种从自然中获得灵感的方法，几乎消除这种“脱靶”基因激活现象。

莱斯大学生物工程和生物科学Caleb Bashor说，“我们让我们的转录因子功能变得更弱，因为它们的结合总体上更弱，它们脱离目标的可能性几乎为零。”

一般来说，生物工程师倾向于设计强结合的转录因子，以帮助确保目标基因在预期的时候被激活。虽然削弱转录因子似乎有悖常理，但Bashor的研究小组多年来一直与波士顿大学的Ahmad Khalil小组合作，通过团队合作来构建和测试使用较弱转录因子的工具。

“转录因子作为基因回路中的‘线路’，将回路中不同基因的表达连接在一起，”Bashor说。

基因回路是一组共同工作以执行特定功能的基因。例如，在之前的工作中，Bashor及其同事实现了执行可编程Boolean logic、信号处理、模数转换和其他复杂任务的回路。

每个转录因子通过与激活特定基因的特定DNA序列结合来激活其特定的目标基因。例如，生物工程师可以使用一种转录因子打开基因回路的特定元件，另一种转录因子将其输出从低到高，还有一种转录因子将其关闭。

为了确保它们被削弱的转录因子在被调用时激活它们的靶基因，Bashor、Khalil和同事们采用了一种被称为合作组装（cooperative assembly，生物通注）的现象。在这些细胞中，转录因子只有通过首先与一个或多个其他转录因子合并形成一个大的蛋白质复合体才能激活它的靶标。组装的复合体，作为一个单一的单位，激活目标基因。

“我们的设计使他们作为一个群体强大，但单独却很弱，这确保了它们唯一能聚集在一起激活的基因是回路中的基因。这样做的结果是，基因回路正常工作，但也‘稳定’，并长期留在细胞中。”

Bashor说，大自然在人类和其他复杂生命中使用类似的策略是该项目的灵感来源。

为了说明这项工作的潜力，他以细胞疗法为例。在许多情况下，患者接受的工程细胞数量远远少于产生治疗效果所需的数量。也就是说，只有当基因工程细胞茁壮成长、繁殖并长成一个足够大的群体来对抗这种疾病时，这种治疗才有效。

他说:“任何偏离目标的互动所带来的负担都会降低成功的几率。我们的方法提供了一套通用的规则，工程师可以使用这些规则将基因回路与宿主细胞隔离开来，减轻脱靶负担。”

该研究由美国国立卫生研究院(EB029483, EB027793)，美国国家科学基金会(2027045,1921677)，海军研究办公室(N00014-21-1-4006)和国防部Vannevar Bush教员奖学金(N00014-20-1-2825)资助。

Journal Reference:

1. Meghan D.J. Bragdon, Nikit Patel, James Chuang, Ethan Levien, Caleb J. Bashor, Ahmad S. Khalil. Cooperative assembly confers regulatory specificity and long-term genetic circuit stability. Cell, 2023; DOI: 10.1016/j.cell.2023.07.012