Cell：弱结合的转录因子在协同作用时效果更好

生物工程学家可以定制细胞基因组，从而构建出抗击疾病的“细胞疗法”，但他们发现很难设计出能够激活经过生物工程改造的基因而不会偶尔激活细胞中的某些天然基因的专门激活蛋白：转录因子（transcription factor）。

在一项新的研究中，来自美国莱斯大学、波士顿大学、哈佛医学院、达特茅斯学院和哈佛大学威斯研究所的研究人员发现他们可以使用一种从自然中获得提示的方法来消除这种“脱靶”基因激活。相关研究结果于2023年8月7日在线发表在Cell期刊上，论文标题为“Cooperative assembly confers regulatory specificity and long-term genetic circuit stability”。

论文共同第一作者、莱斯大学生物工程与生物科学助理教授Caleb Bashor说，“我们让转录因子变得更弱。由于它们的整体结合力更弱，因此它们脱靶结合的几率几乎降到了零。”

一般来说，生物工程师倾向于设计强结合的转录因子，以帮助确保靶基因在应该激活的时候被激活。虽然让转录因子的结合能力变弱似乎有违直觉，但是Bashor团队多年来一直与波士顿大学的Ahmad Khalil团队合作，构建和测试采用弱结合的转录因子在协同发挥作用时的工具。

Bashor说，“转录因子在基因回路（gene circuit）中充当‘接线’的角色，将回路中不同基因的表达连接在一起。”基因回路是基因的集合，它们共同执行特定的功能。例如，在以前的研究工作中，Bashor及其同事们实现了执行可编程布尔逻辑、信号处理、模数转换和其他复杂任务的基因回路。

每个转录因子都通过与特定的 DNA 序列结合来激活其特定的靶基因，从而激活该基因。例如，生物工程人员可以使用一种转录因子开启一个基因回路中的特定元件，使用另一种转录因子将它的输出由低变高，再使用另一种转录因子将它关闭。

图片来自Cell, 2023, doi:10.1016/j.cell.2023.07.012。

为了确保弱结合的转录因子在被调用时能激活靶基因，Bashor、Khalil及其同事们采用了一种叫做协同组装（cooperative assembly）的现象。在他们的细胞中，一个转录因子只有首先与一个或多个其他转录因子合并形成一个大型蛋白复合物，才能激活它的靶基因。这种组装好的蛋白复合物作为一个整体，激活靶基因。

Bashor说，“我们的设计使它们作为一个群体变得强大，但单独存在时结合能力却很弱。这确保了在它们聚集在一起时才能激活的基因是基因回路中的基因。这样做的结果是，基因回路既能正常工作，又能‘稳定’并长期存在于细胞中。”

Bashor说，大自然在人类和其他复杂生命中使用的类似策略是这个项目的灵感来源。为了说明这项研究的潜力，他以细胞疗法为例。在许多细胞疗法中，患者接受的经过基因改造的细胞数量远远少于产生治疗效果所需的数量。也就是说，只有当经过基因改造的细胞茁壮成长、增殖并成长为一个足以对抗疾病的群体时，治疗才会有效。

他说，“任何通过脱靶相互作用造成的负担都会降低成功的几率。我们的方法提供了一套可通用的规则，工程师们可以利用这些规则将来自宿主细胞的基因回路进行隔离，从而减轻脱靶负担。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

1. Meghan D.J. Bragdon et al. Cooperative assembly confers regulatory specificity and long-term genetic circuit stability. Cell, 2023, doi:10.1016/j.cell.2023.07.012.

2. Weaker transcription factors are better when they work together
https://news.rice.edu/news/2023/weaker-transcription-factors-are-better-when-they-work-together