背景與挑戰(zhàn)

 

單細(xì)胞技術(shù)的飛速發(fā)展和各類細(xì)胞圖譜計(jì)劃的推進(jìn)，為解析細(xì)胞類型和狀態(tài)提供了豐富的分子標(biāo)簽。RNA作為決定細(xì)胞類型和狀態(tài)的核心介質(zhì)，其表達(dá)失調(diào)或突變可導(dǎo)致多種病變細(xì)胞狀態(tài)的演化，包括腫瘤的發(fā)生。然而，現(xiàn)有的技術(shù)大多局限于RNA檢測(cè)或示蹤，無(wú)法直接將RNA變化信號(hào)轉(zhuǎn)化為對(duì)細(xì)胞狀態(tài)的調(diào)控信號(hào)。盡管最新的RNA傳感器如eToehold swIT(http://www.weberwork.com/sell/l_25/)ch和ADAR switch在RNA濃度感應(yīng)方面取得了進(jìn)展，但它們?nèi)源嬖跓o(wú)法靈活感應(yīng)點(diǎn)突變、可設(shè)計(jì)性差或脫靶毒性等局限性。

 

 最新研究進(jìn)展

 

中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所婁春波課題組與清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院吳瓊課題組合作，在《自然通訊(http://www.weberwork.com/sell/l_25/)》（*Nature Communications*）上發(fā)表了一篇題為《活細(xì)胞中高分辨率和可編程的RNA-IN和RNA-OUT基因線路》的研究論文。該研究開發(fā)了一種新型的基因線路——RNA-IN/RNA-OUT，能夠在活細(xì)胞內(nèi)高靈敏、可編程地感應(yīng)和響應(yīng)廣譜RNA濃度和序列的動(dòng)態(tài)變化，并對(duì)特定靶細(xì)胞進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控。

 

 技術(shù)特點(diǎn)

 

1. **RNA-IN模塊**：

   - **CASP傳感器**：CASP傳感器由可編程的RNA結(jié)合蛋白（DiCas7-11）和效應(yīng)蛋白（轉(zhuǎn)錄激活因子CI434及激活域VP64）組成。通過(guò)crRNA引導(dǎo)，CASP傳感器能夠激活蛋白酶活性，釋放錨定在細(xì)胞膜的效應(yīng)蛋白，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄調(diào)控。

   - **高靈敏度**：CASP傳感器能夠檢測(cè)內(nèi)源表達(dá)低至8個(gè)轉(zhuǎn)錄本每百萬(wàn)條轉(zhuǎn)錄本（TPM）的RNA。

   - **單堿基分辨率**：通過(guò)系統(tǒng)地探索DiCas7-11對(duì)堿基錯(cuò)配的容忍臨界點(diǎn)，研究團(tuán)隊(duì)引入了輔助突變位點(diǎn)的協(xié)同策略，將單點(diǎn)突變的檢測(cè)能力由1.5倍提升至94倍，實(shí)現(xiàn)了對(duì)單堿基突變的高靈敏度檢測(cè)。

 

2. **RNA-OUT模塊**：

   - **dSpCas9-VPR內(nèi)源性激活器**：該模塊能夠響應(yīng)RNA-IN模塊的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)特定基因的轉(zhuǎn)錄激活。

   - **靈活調(diào)控**：通過(guò)連接CASP傳感器和dSpCas9-VPR內(nèi)源性激活器，RNA-IN/RNA-OUT基因線路能夠在活細(xì)胞內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同表達(dá)水平的RNA感應(yīng)，并響應(yīng)環(huán)境因素刺激時(shí)細(xì)胞內(nèi)部動(dòng)態(tài)變化的RNA，最終實(shí)現(xiàn)特定基因的轉(zhuǎn)錄激活。

 

 應(yīng)用前景

 

1. **細(xì)胞與基因治療**：

   - **腫瘤細(xì)胞識(shí)別與消殺**：RNA-IN/RNA-OUT基因線路能夠識(shí)別特征點(diǎn)突變的RNA，選擇性地殺死胰腺癌和肝癌細(xì)胞，為腫瘤治療提供了新的策略。

   - **細(xì)胞分化與轉(zhuǎn)分化**：該線路能夠動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)細(xì)胞分化和轉(zhuǎn)分化的細(xì)胞狀態(tài)變化，為細(xì)胞重編程和再生醫(yī)學(xué)提供有力工具(http://www.weberwork.com/sell/l_5/)。

 

2. **生物合成**：

   - **內(nèi)源性代謝網(wǎng)絡(luò)激活**：通過(guò)連接持續(xù)表達(dá)的RNA，RNA-IN/RNA-OUT基因線路能夠激活孕酮的內(nèi)源性生物合成代謝網(wǎng)絡(luò)，為化合物的生物合成提供新的途徑。

 

3. **細(xì)胞命運(yùn)操控**：

   - **重構(gòu)RNA調(diào)控網(wǎng)絡(luò)**：RNA-IN/RNA-OUT基因線路能夠在任意的RNA之間建立強(qiáng)關(guān)聯(lián)，重構(gòu)細(xì)胞內(nèi)部的RNA調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，賦予細(xì)胞新的生物學(xué)功能。

 

 結(jié)論

 

RNA-IN/RNA-OUT基因線路具有高靈敏、可編程、單堿基分辨率的特點(diǎn)，能夠在活細(xì)胞內(nèi)感應(yīng)RNA動(dòng)態(tài)變化并直接轉(zhuǎn)換為特定基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控指令。這一技術(shù)在細(xì)胞與基因治療、細(xì)胞重編程以及化合物的生物合成等領(lǐng)域擁有廣泛的應(yīng)用前景，為細(xì)胞命運(yùn)的操縱提供了革新性的技術(shù)支持。