图注：数字DNA分子结构，概念为人类基因组二进制编码。携带修饰基因的DNA分子3D示意图
合成生物学家绘制基因回路时，通常从启动子、阻遏蛋白、转录因子的角度考量——这些生化元件负责调控基因的开/关状态。但DNA并非平面示意图，而是一种可在基因转录过程中发生扭转、卷曲、弯折的物理聚合物。麻省理工学院（MIT）及合作者发表的两篇最新论文表明，DNA的这一物理特性为调控基因回路的表达输出提供了新的思路。
近期发表于《科学》（Science）、题为《基因句法决定超螺旋介导的转录反馈》的研究中，研究人员证实相邻基因的排列顺序与方向（研究团队将其定义为基因句法）可重塑局部DNA超螺旋状态，进而增强或抑制邻近基因的表达。
“基因句法对于动态回路的构建极具应用价值。目前我们不仅能够调控回路的生化特性，还可通过设计其物理结构支撑动态表达特征。”MIT化学工程系助理教授Katie Galloway博士表示。
研究团队对人细胞系及人诱导多能干细胞（human induced pluripotent stem cells, hiPSCs）进行工程化改造，导入了串联、反向、同向三种排列方式的合成双基因报告回路。团队前期的建模结果预测：反向排列的基因句法可同时增强两个基因的表达，而串联排列会抑制下游基因的表达。Galloway指出：“本研究旨在解决的核心问题是：当两个基因位于同一段DNA上时，二者的物理相互作用是如何产生耦合效应的？”实验结果与预测完全吻合：反向排列的回路可同时上调两个基因的表达，而串联排列的回路存在极强的上游对下游的表达抑制效应，抑制幅度最高可达25倍。
为解析其背后机制，研究人员采用区域捕获Micro-C技术（一种高分辨率基因组折叠图谱绘制技术），可视化展示转录过程对DNA结构的重塑效应。当基因被激活时，其下游DNA会收紧形成绞缠体（plectoneme）——这种扭转结构会阻碍RNA聚合酶的结合，而基因上游的DNA则会处于松弛状态。第一篇论文的作者写道：“超螺旋通过改变RNA聚合酶的结合效率影响邻近基因的转录，从而形成反馈回路。”
第二篇发表于《自然·生物医学工程》（Nature Biomedical Engineering）、题为《STRAIGHT-IN Dual：用于将DNA载荷和基因回路双单拷贝整合至人诱导多能干细胞的平台》的论文，介绍了STRAIGHT-IN Dual平台，该平台可实现两种DNA构建体同时、等位基因特异性、单拷贝整合至hiPSCs中。第二篇论文的作者表示，该系统支持团队“探究启动子选择与基因句法如何影响转基因沉默，以及这些设计特征如何影响报告基因的表达，以及hiPSCs向神经元、运动神经元、内皮细胞的定向重编程效率”。
利用STRAIGHT-IN Dual平台，研究人员还展示了一项实际应用：表达黄热病抗体两个组分的反向排列回路，其表达产量显著高于其他排列构型。
“这一发现极具突破性，因为我们现在可以通过前所未有的方式协调基因的表达。”Galloway表示，“目前我们已经阐明了基因句法的作用规律，我认为这将为我们编程基因动态表达行为铺平道路。
如果需要实现基因的协同表达，反向排列回路是最优选择；如果需要实现二者择一的表达模式，则可采用同向或串联排列回路，当一个基因开启时另一个基因关闭，从而实现交替脉冲式表达。”Galloway补充道。
专业注释
- 基因句法：本研究中特指基因的排列顺序与方向特征
- 绞缠体：DNA超螺旋的一种致密扭转结构，可阻碍转录起始
- STRAIGHT-IN Dual：靶向干细胞的双位点精准整合技术平台