可编程固态凝聚物：实现哺乳动物基因表达时空控制的新策略

为解决哺乳动物基因表达精确调控难题，研究人员开展合成生物分子凝聚物研究，实现多阶段基因调控，意义重大。

　　在生命科学的微观世界里，基因表达的调控就像一场精密的交响乐演奏，每个音符都至关重要。然而，现有的基因调控系统却面临诸多挑战。过去几十年，虽然成功构建了大量配体依赖性基因开关，能让小分子、光、超声等信号调控目标基因表达，但大多基于重复且不可预测的 “试错” 方法。比如，当需要用相同化学诱导剂调控基因表达的不同阶段，或用不同诱导剂调控同一控制位点时，往往要重新设计复杂的调控关系，不仅效率低下，还难以实现标准化和通用化。因此，寻找一种系统、可扩展且通用的设计策略迫在眉睫。

为了攻克这些难题，来自复旦大学、西湖大学等研究机构的科研人员展开了深入研究。他们的研究成果发表在《Nature Chemical Biology》杂志上，为基因表达调控领域带来了新的曙光。

研究人员采用的关键技术方法主要包括以下几种：一是构建多种表达载体，利用标准的限制性内切酶克隆或 Gibson 组装技术生成新质粒，并通过 Sanger 测序进行验证；二是培养和转染人胚肾细胞（HEK-293T），并利用基于聚乙烯亚胺（PEI）的转染方案进行实验；三是运用逆转录定量聚合酶链反应（RT-qPCR）、RNA 免疫沉淀（RIP）等技术对 RNA 进行分析；四是借助共聚焦显微镜观察细胞内的各种现象，包括凝聚物的形成、蛋白质与 RNA 的定位等。

下面来看看具体的研究结果：

1. 设计和验证空间定位的合成凝聚物：研究人员发现，大肠杆菌来源的硫辛酸蛋白连接酶 A（LplA）在哺乳动物细胞中能形成稳定的凝聚物结构。通过将其与不同的蛋白融合，如丙型肝炎病毒来源的 NS3a (H₁) 蛋白等，并结合特定的条件蛋白二聚化系统，可实现凝聚物在不同细胞区室（如细胞核、线粒体、质膜等）的触发诱导定位。例如，NS3a (H₁)–AG–LplA 不仅能在细胞质和细胞核中形成稳定的颗粒状结构，还能通过化学诱导的蛋白质 - 蛋白质相互作用，对动态的细胞或生化信号做出响应，且这种凝聚物呈固相。
2. 核凝聚物对 CRISPR-Cas9 活性的诱导调控：CRISPRa 是一种控制基因表达的策略，利用合成的 CRISPR 衍生反式激活蛋白 dCas9–VPR，以 gRNA 依赖的方式调节基因转录。研究人员利用合成凝聚物设计了可触发诱导的 CRISPR 活性调控系统。他们通过筛选不同的蛋白作为凝聚物的核心支架蛋白，发现 NLS–PB1–AG–NS3a (H₁) 表现出优异的调控性能，能实现对 CRISPR-Cas9 活性的高效调控，其调控转基因表达的效果优于现有的 CRISPRa 策略，还能有效上调多种内源性基因。
3. 核凝聚物的转录调控：传统的转录调控方法需要精心设计目标启动子区域和位点特异性转录因子，效率难以预测。研究人员提出利用定制设计的锚蛋白，结合含有 NS3a (H₁) 的抑制性核凝聚物来实现转录调控。实验表明，NLS–PB1–AG–NS3a (H₁) 在与基于 ANR 的锚蛋白结合时，能有效沉默组成型 P_hCMV驱动的基因表达，并使其对 grazoprevir 作出响应，且对多种内源性和外源性靶基因都有良好的调控效果，优于传统转录因子介导的方法。
4. 胞质和核凝聚物的翻译调控：近年来，RNA 基基因开关的发展使翻译调控系统成为研究热点。传统的翻译调控通常在细胞质中进行，研究人员推测将目标 mRNA 保留在细胞核内的凝聚物中可能是一种更有效的翻译调控方法。实验结果证实，核凝聚物，如含有 LplA、HNRNPA1 和 FUS478 的凝聚物，能提供高效的 grazoprevir 诱导的翻译调控，其中 NLS–FUS478–AG–NS3a (H₁) 效果最佳，可显著降低基础基因表达水平，提高 grazoprevir 诱导的 mRNA 翻译倍数变化，且这种调控具有可逆性。

研究结论和讨论部分指出，无膜细胞器在细胞生物学和合成生物学领域备受关注，但其作为基因表达控制策略仍处于起步阶段。该研究展示了固态蛋白质凝聚物可与多种细胞区室结合，调控多种基因表达位点，为基因表达调控提供了新的思路和方法。例如，在翻译调控方面，将 pre-mRNA 保留在核凝聚物中，相比传统在细胞质中的调控策略，增加了物理保护屏障，能更有效地控制基因表达。在 CRISPR-Cas9 技术应用中，基于凝聚物的双锚策略能更好地协调控制多个遗传元件，提高基因开关效率。此外，合成凝聚物在转录调控方面与传统方法相比，具有更好的兼容性和可操作性，无需对启动子区域进行复杂的重新设计。

总之，这项研究为哺乳动物细胞基因表达调控提供了一种全面、模块化且通用的设计原则，有望在生物技术和合成生物学领域发挥重要作用，为未来的相关研究和应用开辟新的道路。