Cell 弱转录因子：合成生物学领域的突破，实现高效目标基因激活

在细胞中，基因调控网络将外部和内部信息整合并处理，以产生适当的基因表达输出响应。这些网络中的连接是通过转录因子（TFs）与位于转录起始位点上游近处的DNA顺式调控基序（CRMs）的结合来介导的。适当的细胞功能在很大程度上依赖于这些相互作用的全基因组保真性：TFs必须高度特异性地识别与基因相关联的CRMs，同时避免与非靶标的相互作用，以防止异常的错误调控（下图）。

基因网络依赖于转录因子和靶基因之间的特定相互作用来实现适当的细胞功能

有证据表明，原生的调控网络保真性是在进化过程中被优化的，可能通过积极和消极选择的组合来实现，分别通过最大化靶向调控和最小化非靶标错误调控。由于转录因子特异性或表达水平的改变导致网络保真性受到破坏，可能导致细胞适应性丧失，或者在多细胞生物的情况下导致异常发育或肿瘤发生。

2023年8月7日，在一项发表在《Cell》（IF2022=64.5）杂志的研究中，来自莱斯大学、波士顿大学、哈佛医学院、达特茅斯学院以及哈佛大学 Wyss 研究所的合成生物学家们展示了他们消除"非目标"基因的激活。

"我们使转录因子变得更弱。"该研究的作者之一，也是莱斯大学生物工程和生物科学助理教授的Caleb Bashor说，"因为它们与DNA结合的亲和力变弱，所以它们与非目标结合的可能性几乎为零。"

通常，合成生物学家更倾向于设计强结合的转录因子，以确保目标基因的激活时有效进行。虽然削弱转录因子结合力看上去违反常规，但Bashor的研究小组已与BU的Ahmad "Mo" Khalil的小组合作多年来构建和测试利用弱转录因子的工具，使弱转录因子能够高效协同工作。

Bashor说，"转录因子在基因回路中起到'连接'作用，将不同基因的表达联系在一起。”基因电路是一套协同工作以执行特定功能的基因集。例如，先前的工作中，Bashor和同事们成功实现了可编程布尔逻辑、信号处理、模拟到数字转换等复杂任务的基因回路。

每个转录因子通过与特定DNA序列结合来激活其对应的目标基因。合成生物学家可以使用一个转录因子来打开基因回路的特定部分，同时利用另一个转录因子调节基因表达的强度，还有一个转录因子用来关闭基因回路。

(A)一个简单的模型揭示了利用协同组装来设计调控特异性的分子策略。(B)构建协同合成转录因子(synTF)组装电路的实验平台。

为了确保弱化的转录因子在需要时能够激活目标基因，Bashor、Khalil及其团队利用了一种叫做"合作组装"的现象。在他们的细胞中，只有当转录因子首先与另一个或多个转录因子结合，形成一个大的蛋白质复合物时，它才能激活其目标基因。这个复合物作为一个单一单元来激活目标基因。

Bashor说，"我们的设计使得这些转录因子在协同工作时表现更强大，但单独时却较为脆弱。这确保了只有基因回路中的目标基因能够被同时激活。因此，基因回路能够正常运作，同时也在细胞中保持了稳定性并且长时间存在。"

Bashor补充道，人类和其他复杂生物体的类似策略启发了这项研究项目。

为了说明这项工作的应用价值，他以基于细胞的疗法为例。在许多情况下，疗效所需的工程细胞数量远大于患者接受的数量。换句话说，只有当工程细胞能够繁殖并发展成足够大的群体来应对疾病时，治疗才会有效。

他说，"由非目标相互作用引起的任何负担都会降低成功的几率。"我们的方法提供了一套通用准则，可以将基因回路与宿主细胞隔离，从而减轻非目标相互作用所带来的负担。"

真核转录调控普遍存在一个重要特征，即转录因子（TFs）与DNA顺式调控基序的合作自组装。这种策略被认为使得基因网络中原本相互作用较弱、低特异性的分子组分得以形成特定的调控连接。在这项研究中，我们通过在酵母中构建合成基因回路，发现人工锌指基因转录因子之间的合作多价相互作用能够产生高度的调控特异性。我们证明了采用合作TF组装策略来构建的基因回路能够有效地防止对宿主细胞基因组的异常错误调控。正如我们在实验和数学模型中所验证的，这种机制足以挽救由基因回路引起的适应性缺陷，从而在长期连续培养中保持基因回路的遗传和功能稳定性。我们受到自然界的启发，提出了一种简单且可推广的方法，用于构建高保真度、在进化中具有稳健性的基因回路，这种方法可以应用于广泛的宿主生物和领域。

阅读原文内容：

https://www.sciencedaily.com/releases/2023/08/230815131818.htm

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http://dx.doi.org/10.1016/j.cell.2023.07.012