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研究提出精準可控的哺乳動物細胞基因表達系統(tǒng)
作者：刁雯蕙 來源：中國科學報 
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3月18日，中科院深圳先進院合成所婁春波課題組與北京大學物理學院定量生物學中心歐陽頎、錢瓏團隊的合作成果發(fā)表于《自然—通訊》。
研究人員通過在哺乳動物構(gòu)建人工正交轉(zhuǎn)錄系統(tǒng)，實現(xiàn)了單個和多個啟動子轉(zhuǎn)錄活性的精準微調(diào)，構(gòu)建了具有預測能力的多基因表達量的定量熱力學模型，并將這個定量模型應用于甲型流感病毒（H1N1）病毒樣顆粒（VLP）組分與產(chǎn)量的優(yōu)化設計。
在哺乳動物細胞中，精確調(diào)控基因線路對于細胞適應環(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)鍵基因表達量過量或不足都可能導致癌癥等重要疾病。多個細胞命運決定因子表達劑量也是重塑細胞命運分化和發(fā)育的關(guān)鍵因素。
但在哺乳動物細胞中，基因表達受到基因順序、基因組位置等多種復雜因素的影響，使得精確控制基因表達劑量變得非常困難。因此，亟需開發(fā)模塊化、不受細胞類型影響且可編程的基因表達系統(tǒng)。
對此，研究人員提出了一種設計策略，旨在開發(fā)一種模塊化、獨立于宿主的正交型轉(zhuǎn)錄系統(tǒng)。該正交型轉(zhuǎn)錄系統(tǒng)由正交型啟動子庫和單體RNA聚合酶（RNAP）組成。該系統(tǒng)通過將RNA加帽酶與單體RNAP融合，可確保原核來源的單體RNAP在哺乳動物細胞中按照“跨域”方式實現(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)表達的必需步驟。
研究發(fā)現(xiàn)了不同基因表達活性的競爭效應，并建立了定量的熱力學模型。針對兩個基因的競爭問題，研究團隊設計了一個哺乳動物細胞系中的兩個報告基因。在這個雙報告基因體系中，每個報告基因由正交型啟動子庫中的七個代表性啟動子之一控制，共有49種不同的組合。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，一個基因的強啟動子顯著降低了另一個基因的表達。這個結(jié)果證明了兩個報告基因在競爭有限資源（ [RNAP]free）。因此，研究提出了利用[RNAP]free取代的[RNAP]tot的新型熱力學方程式。
此外，為證實正交轉(zhuǎn)錄系統(tǒng)的優(yōu)勢，研究團隊使用定量熱力學模型優(yōu)化了病毒樣顆粒的多個亞基的基因表達劑量。
綜上，該研究開發(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)資源競爭和結(jié)合能的定量熱力學理論模型，可以實現(xiàn)對哺乳動物細胞中多個基因表達劑量的精確設計和預測。通過利用這種正交型轉(zhuǎn)錄系統(tǒng)，研究團隊還成功地優(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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