一种新的计算机程序允许科学家设计合成DNA片段，实时显示细胞的状态

　　

一种新的计算机程序允许科学家设计合成DNA片段，实时显示细胞的状态。Gargiulo实验室在《自然通讯》(Nature Communications)上发表了这篇报道，它将用于筛选抗癌或病毒感染药物，或改进基于基因和细胞的免疫疗法。

我们身体中的所有细胞都有相同的遗传密码，但它们在身份、功能和疾病状态上可能不同。以一种简单的方式实时地将一个细胞与另一个细胞区分开来，对于试图了解炎症、感染或癌症的科学家来说将是无价的。现在，Max delbrck中心的科学家们创造了一种算法，可以设计出这样的工具，利用被称为“合成位点控制区”(sLCRs)的DNA片段来揭示细胞的身份和状态。它们可用于各种生物系统。分子肿瘤学实验室负责人Gaetano Gargiulo博士的研究结果发表在《自然通讯》上。

该研究的资深作者Gargiulo说:“这种算法使我们能够创建精确的DNA工具来标记和研究细胞，为细胞行为提供新的见解。”“我们希望这项研究为一种更直接、更可扩展的理解和操纵细胞的方式打开了大门。”

Carlos Company博士是Gargiulo实验室的一名前研究生，也是这项研究的第一作者之一，他开始投入精力使DNA工具的设计自动化，并使其他科学家可以使用。他编写了一种算法，可以生成工具来理解基本的细胞过程以及癌症、炎症和感染等疾病过程。

“这个工具允许研究人员检查细胞从一种类型转化为另一种类型的方式。它特别具有创新性，因为它将所有指导这些变化的关键指令汇编成一个简单的合成DNA序列。反过来，这简化了癌症研究和人类发展等重要领域复杂细胞行为的研究，”Company说。

算法来制作量身定制的DNA工具

这个计算机程序被命名为“合成顺式调控DNA的逻辑设计”(LSD)。研究人员输入与他们想要研究的特定细胞状态相关的已知基因和转录因子，程序使用这些来识别控制感兴趣细胞活性的DNA片段(启动子和增强子)。这些信息足以发现功能序列，科学家不必知道细胞行为背后的精确遗传或分子原因;他们只需要建造sLCR。

Gargiulo实验室的研究生、论文的第一作者之一Yuliia Dramaretska说，该程序在人类或小鼠的基因组中寻找转录因子极有可能结合的地方。它列出了一份150个碱基对的相关长序列清单，这些序列很可能是正在研究的疾病的主动启动子和增强子。

她说:“显然，这并不是随机列出这些地区。”“该算法实际上是对它们进行排序，并找到最有效地代表你想要研究的表型的片段。”

就像细胞里的一盏灯

然后，科学家们可以制作一种工具，称为“合成基因座控制区”(sLCR)，其中包括生成的序列，后面跟着编码荧光蛋白的DNA片段。“slcr就像一盏自动灯，你可以把它放在细胞里。这盏灯只有在你想要学习的条件下才会打开，”Gargiulo实验室的研究员、第一作者之一Michela Serresi博士说。“灯”的颜色可以改变，以匹配不同的感兴趣的状态，因此科学家可以在荧光显微镜下观察，并立即知道每个细胞的状态，从它的颜色。“当我们进行治疗时，我们可以用眼睛跟踪培养皿中的颜色，”Serresi说。

科学家们在去年发表在《科学进展》(Science Advances)上的文章中证实了这一计算机程序的实用性，用它来筛选SARS-CoV-2感染细胞中的药物。他们还用它来发现脑癌胶质母细胞瘤的机制，这种癌症没有单一的治疗方法有效。“为了找到对胶质母细胞瘤中特定细胞状态有效的治疗组合，你不仅需要了解是什么定义了这些细胞状态，还需要看到它们的出现，”Gargiulo实验室的研究员兼第一作者Matthias j<s:1> rgen Schmitt博士说，他在实验室中使用这些工具来展示它们的价值。

现在，想象一下在实验室里改造的免疫细胞作为一种基因疗法来杀死一种癌症。当注入病人体内时，并不是所有的细胞都能发挥预期的作用。有些会是有效的，而另一些可能处于功能失调的状态。在欧洲研究委员会的资助下，Gargiulo实验室将使用这个系统来研究这些基于细胞的精细抗癌疗法在生产过程中的行为。“通过正确的合作，这种方法有可能在癌症、病毒感染和免疫治疗等领域推进治疗，”Gargiulo说。