人类合成生物学与可编程基因调控控制：多层级工具开发与治疗应用新进展

这篇综述系统梳理了人类合成生物学领域的最新进展，重点阐述了DNA、RNA和蛋白质水平的可编程基因调控工具开发（如CRISPR-Cas9、synTFs、RBPs和PROTACs），及其在构建合成基因回路和疾病治疗中的应用。文章通过高通量筛选技术（MPRAs、STARR-seq）揭示了模块化调控元件的设计原则，并展望了多层级工具联用对精准医疗的推动作用。

　　

引言

合成生物学技术的快速发展使得通过模块化调控元件控制细胞表型成为可能。随着合成系统规模的扩大，研究者聚焦于在基因表达的DNA、RNA和蛋白质三个层级建立合成控制节点。高通量技术的应用不仅实现了对内源基因程序的操控，还催生了能产生定制化细胞输出的合成基因回路。

从合成转录因子到基因调控元件的转录控制

转录水平的调控工具发展最为成熟。合成转录因子（synTFs）通过模块化的DNA结合域（DBD）和效应域实现精准控制，其中锌指蛋白（ZnF）和TALE系统曾主导早期研究，但CRISPR-dCas9系统的出现彻底改变了这一领域。CRISPR干扰（CRISPRi）和激活（CRISPRa）技术通过融合抑制结构域KRAB或激活结构域VP64，实现了对数千基因的高通量筛选（如Perturb-seq）。

近年研究发现，人类来源的效应域（如NCOA3/FOXO3/ZNF473融合的NFZ结构域）可达到与病毒效应域VPR相当的激活效率。组蛋白修饰工具（如SunTag系统招募SETDB1或p300）能通过表观遗传记忆实现长效调控。同时，高通量报告实验（MPRA）揭示了合成启动子和增强子的设计规则，例如通过组合转录因子结合位点构建造血分化特异性调控元件。

RNA水平的基因调控优化

RNA调控工具的核心在于操纵mRNA的稳定性和翻译效率。核糖开关在细菌中广泛存在，但人类细胞中预测RNA二级结构的挑战促使研究者转向高通量筛选。3′UTR的MPRA实验鉴定出调控mRNA半衰期的关键元件，而5′UTR研究则发现核糖体内部进入位点（IRES）和G-四链体可精确控制翻译速率。

可编程RNA结合蛋白（如dCas13）通过融合降解域或剪接调控域实现RNA编辑。microRNA（miRNA）响应型合成回路能通过逻辑门控设计识别癌细胞并触发凋亡，例如将Bcl2通路与miRNA传感器耦合的基因电路。

蛋白质丰度调控与合成信号通路

蛋白质水平的控制主要依赖降解标签和合成受体。PROTACs通过双功能小分子桥接靶蛋白与E3连接酶（如CRBN），而DUBTACs则通过去泛素化酶稳定目标蛋白。新型降解系统如LYTACs和AbTACs拓展了膜蛋白降解能力。

合成受体工程（如SynNotch）通过定制化胞外识别域和胞内转录效应域，实现了对T细胞抗肿瘤活性的重编程。在CAR-T细胞中集成低亲和力SynNotch受体可增强肿瘤识别特异性，而深度学习模型能优化CAR信号域组合以预测最佳治疗效果。

可编程蛋白信号调控细胞输出

磷酸化信号网络的改造是调控细胞命运的核心策略。通过非经典氨基酸插入技术构建的组成型活性激酶，与正交激酶-磷酸酶推挽网络结合，实现了对信号通路的精确时序控制。声波介导的血脑屏障开放技术（如DREADDs）则推动了神经调控工具的体内应用。

结论

尽管合成生物学已开发出多层级调控工具，但仍面临合成基因沉默、基因组位点效应等挑战。未来需结合高通量实验与深度学习，进一步解析调控元件的上下文依赖性，推动精准医疗和细胞疗法的发展。