Nature子刊：启动子编辑，实现对转基因表达的精准调控

撰文丨王聪

编辑丨王多鱼

排版丨水成文

随着时间的推移，基因表达的微小变化能够导致细胞命运的分化。内源基因和合成基因的过表达可驱动并重定向天然生物学过程，同时增强细胞原有功能。然而，要确定哪些转基因会引发这些微妙效应，需要精细的表达调控手段，而针对剂量敏感机制的精准控制在技术层面仍存在挑战。

特别值得关注的是，基因表达的非线性效应会模糊表型正负调控关系的推断。支持表达水平精确定量的工具揭示了调控因子表达量与表型之间存在的非单调关联关系。尽管 CRISPR 技术衍生的基因敲除、敲低和激活等大规模筛选工具有助于识别线性调控因子，但这些方法往往分辨率不足，难以发现与表型存在非线性关联的调控基因。此类基于 CRISPR 的筛选体系也无法预测转基因过表达对细胞行为的影响。

在转基因技术被越来越多地用于增强细胞功能和程序化调控细胞命运的背景下，开发可扩展的新型工具已迫在眉睫，这类工具应能有效识别具有复杂功能的调控因子，并阐明它们对生理相关表型的调控作用。

2025 年 10 月 13 日，麻省理工学院的研究人员在Nature Biotechnology期刊发表了题为：Programmable promoter editing for precise control of transgene expression 的研究论文。

在合成生物学迅速发展的背景下，精准调控基因表达的能力一直是人们最为渴望攻克的难题。该研究推出了一个名为DIAL（Dynamically Editable Artificial Loci）的新框架，能够实现对转基因表达前所未有的精准调控。

这项创新技术超越了传统的基因激活和抑制二元策略，能够实现可遗传的、精准调控的表达水平范围，满足了研究和治疗领域对更复杂控制手段的迫切需求。

基因表达的微小变化就足以引导细胞进入不同状态。识别和控制剂量依赖型转基因需要能够精确调节表达水平的工具。

在这项最新研究中，研究团队开发了一个高度模块化、可扩展的框架——DIAL，用于构建可编辑的启动子，从而实现对转基因表达的精细、可遗传的调控。

DIAL 的核心在于使用一种合成锌指转录因子（synthetic zinc finger transcription factor），其活性随着间隔序列的依次移除而逐步增强。通过在启动子内嵌套不同数量和长度的间隔序列，研究团队从单一基因构建体上设计出了一组可在单峰谱上进行调控的“设定点”。这种嵌套间隔序列的架构使细胞能够穿越并锁定在可由靶向重组酶作用精确选择的中间转录状态。这种多层控制为基因表达调控引入了更精细的粒度，为转录可调控性设定了新的标准。

利用 DIAL 技术，研究团队通过重组酶介导的切除合成锌指转录因子结合位点与核心启动子之间的间隔序列来增加表达。通过嵌套不同数量和长度的间隔序列，DIAL 能够从单个启动子生成可调的单峰设定点范围。通过小分子对转录因子和重组酶的控制，DIAL 支持用户引导的、时间定义明确的转基因表达调控，并且可扩展到其他转录因子。这种化学诱导性提供了可逆且由用户引导的剂量控制，从而能够实现动态实验方案，在其中基因表达模式可以按需编程、改变或维持。这种时间上的精确性对于需要分阶段发育信号或逐步激活治疗基因的应用至关重要。

与慢病毒递送系统的兼容性，进一步证明了 DIAL 的多功能性，将 DIAL 构建体整合到慢病毒中，在异质性的原代细胞和诱导多能干细胞（iPSC）中产生了多个不同的表达水平，从而为在与人体生理高度相似的系统中剖析剂量依赖性生物学现象提供了强大的工具。

DIAL 最具吸引力的特点之一在于，启动子编辑后能够产生稳定且可遗传的表达状态。与诱导剂撤除后表达会减弱的瞬时诱导系统不同，重组酶介导的缺失将细胞锁定在固定的转录设定点，这种状态会持续到细胞分裂。这为长期谱系追踪和表型图谱绘制创建了一个强大的平台，使科学家能够以一致的方式随时间推移将特定转基因剂量与细胞行为、命运决定或疾病状态相关联。

利用 DIAL，研究团队将成纤维细胞直接转化为诱导运动神经元，通过将转基因表达调控至多个稳定水平，能够绘制出不同表达水平如何影响运动神经元诱导的效率和准确性。这一应用突显了对基因剂量进行精细调控能够显著优化细胞命运工程策略，有望改善针对神经退行性疾病的再生医学方法。

总的来说，DIAL 有望极大地提高合成基因回路的精确性和可预测性。在基因治疗应用中，治疗性转基因的剂量控制对于安全性和有效性至关重要，而 DIAL 能够降低因过表达或表达不足而带来的风险。此外，在发育生物学和疾病建模背景下，能够稳定固定中间表达状态的能力，为剖析基因功能和调控网络提供了更多的实验可能性。

论文链接：

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