Nature子刊：啟動子編輯，實現對轉基因表達的精準調控

撰文丨王聰

編輯丨王多魚

排版丨水成文

隨著時間的推移，基因表達的微小變化能夠導致細胞命運的分化。內源基因和合成基因的過表達可驅動并重定向天然生物學過程，同時增強細胞原有功能。然而，要確定哪些轉基因會引發這些微妙效應，需要精細的表達調控手段，而針對劑量敏感機制的精準控制在技術層面仍存在挑戰。

特別值得關注的是，基因表達的非線性效應會模糊表型正負調控關系的推斷。支持表達水平精確定量的工具揭示了調控因子表達量與表型之間存在的非單調關聯關系。盡管 CRISPR 技術衍生的基因敲除、敲低和激活等大規模篩選工具有助于識別線性調控因子，但這些方法往往分辨率不足，難以發現與表型存在非線性關聯的調控基因。此類基于 CRISPR 的篩選體系也無法預測轉基因過表達對細胞行為的影響。

在轉基因技術被越來越多地用于增強細胞功能和程序化調控細胞命運的背景下，開發可擴展的新型工具已迫在眉睫，這類工具應能有效識別具有復雜功能的調控因子，并闡明它們對生理相關表型的調控作用。

2025 年 10 月 13 日，麻省理工學院的研究人員在Nature Biotechnology期刊發表了題為：Programmable promoter editing for precise control of transgene expression 的研究論文。

在合成生物學迅速發展的背景下，精準調控基因表達的能力一直是人們最為渴望攻克的難題。該研究推出了一個名為DIAL（Dynamically Editable Artificial Loci）的新框架，能夠實現對轉基因表達前所未有的精準調控。

這項創新技術超越了傳統的基因激活和抑制二元策略，能夠實現可遺傳的、精準調控的表達水平范圍，滿足了研究和治療領域對更復雜控制手段的迫切需求。

基因表達的微小變化就足以引導細胞進入不同狀態。識別和控制劑量依賴型轉基因需要能夠精確調節表達水平的工具。

在這項最新研究中，研究團隊開發了一個高度模塊化、可擴展的框架——DIAL，用于構建可編輯的啟動子，從而實現對轉基因表達的精細、可遺傳的調控。

DIAL 的核心在于使用一種合成鋅指轉錄因子（synthetic zinc finger transcription factor），其活性隨著間隔序列的依次移除而逐步增強。通過在啟動子內嵌套不同數量和長度的間隔序列，研究團隊從單一基因構建體上設計出了一組可在單峰譜上進行調控的“設定點”。這種嵌套間隔序列的架構使細胞能夠穿越并鎖定在可由靶向重組酶作用精確選擇的中間轉錄狀態。這種多層控制為基因表達調控引入了更精細的粒度，為轉錄可調控性設定了新的標準。

利用 DIAL 技術，研究團隊通過重組酶介導的切除合成鋅指轉錄因子結合位點與核心啟動子之間的間隔序列來增加表達。通過嵌套不同數量和長度的間隔序列，DIAL 能夠從單個啟動子生成可調的單峰設定點范圍。通過小分子對轉錄因子和重組酶的控制，DIAL 支持用戶引導的、時間定義明確的轉基因表達調控，并且可擴展到其他轉錄因子。這種化學誘導性提供了可逆且由用戶引導的劑量控制，從而能夠實現動態實驗方案，在其中基因表達模式可以按需編程、改變或維持。這種時間上的精確性對于需要分階段發育信號或逐步激活治療基因的應用至關重要。

與慢病毒遞送系統的兼容性，進一步證明了 DIAL 的多功能性，將 DIAL 構建體整合到慢病毒中，在異質性的原代細胞和誘導多能干細胞（iPSC）中產生了多個不同的表達水平，從而為在與人體生理高度相似的系統中剖析劑量依賴性生物學現象提供了強大的工具。

DIAL 最具吸引力的特點之一在于，啟動子編輯后能夠產生穩定且可遺傳的表達狀態。與誘導劑撤除后表達會減弱的瞬時誘導系統不同，重組酶介導的缺失將細胞鎖定在固定的轉錄設定點，這種狀態會持續到細胞分裂。這為長期譜系追蹤和表型圖譜繪制創建了一個強大的平臺，使科學家能夠以一致的方式隨時間推移將特定轉基因劑量與細胞行為、命運決定或疾病狀態相關聯。

利用 DIAL，研究團隊將成纖維細胞直接轉化為誘導運動神經元，通過將轉基因表達調控至多個穩定水平，能夠繪制出不同表達水平如何影響運動神經元誘導的效率和準確性。這一應用突顯了對基因劑量進行精細調控能夠顯著優化細胞命運工程策略，有望改善針對神經退行性疾病的再生醫學方法。

總的來說，DIAL 有望極大地提高合成基因回路的精確性和可預測性。在基因治療應用中，治療性轉基因的劑量控制對于安全性和有效性至關重要，而 DIAL 能夠降低因過表達或表達不足而帶來的風險。此外，在發育生物學和疾病建模背景下，能夠穩定固定中間表達狀態的能力，為剖析基因功能和調控網絡提供了更多的實驗可能性。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41587-025-02854-y