使用mRNA开关为哺乳动物细胞内计算奠定基础

Hirohide Saito教授和他的研究团队开发了一种使用Cas蛋白控制mRNA翻译的新方法，从而扩大了mRNA开关的种类，使在哺乳动物细胞中构建合成基因回路变得更加容易。这项研究的结果于19年2023月<>日发表在《自然通讯》上。

正在合成生物学领域探索能够精确、类似计算机地控制细胞功能和命运的细胞计算技术。通过根据需要对基因表达模式进行编程，研究人员可以大大加深我们对各种生物过程的理解，并创造新的医学治疗方法。未来，这项技术可以帮助提高治疗效果，减少药物发现、疫苗开发、细胞移植和其他形式的医疗中的副作用。

为了创建这种精确的控制系统，有必要构建复杂的电路，像活细胞中的计算机一样处理信息，这反过来又需要使用基于生命系统构建块(如DNA，RNA和蛋白质)的人工遗传电路。然而，可由科学家修改控制的组件的可用性一直是精确编程细胞行为的限制因素。

最近，研究人员开始利用RNA结合蛋白(RBP)作为翻译调节因子的力量。然而，这种方法受到有限数量的能够调节翻译的RBP的阻碍，特别是那些具有多重兼容性的RBP，无法完全起飞，用于基础研究和临床应用构建转录后合成生物电路。

为了延长可作为翻译调节因子的RBP列表，Saito和他的团队利用CRISPR-Cas蛋白识别特定sgRNA(单向导RNA)序列的能力，方法是将它们插入编码报告基因产物(开关)的靶mRNA的5'-UTR(非翻译区域)。

在没有相应的Cas蛋白(触发器)的情况下，报告基因产物经历无拂抗的翻译，这意味着开关处于ON状态。然而，如果细胞表达Cas蛋白，它通过sgRNA序列与靶mRNA结合并阻断报告基因产物的翻译，从而将开关切换到其关闭状态(关闭开关：打开状态→关闭状态)。通过将所谓的“开关逆变器”模块集成到系统中，团队可以将这些关断开关转换为导通开关(关断状态→开启状态)。

研究小组将这种翻译调节系统命名为CARTRIDGE(Cas-Responsive Translational Regulation Integraable into Diverse Gene control)，因为他们成功地利用生物工程技术来控制Cas蛋白，如分裂Cas系统和抗CRISPR蛋白，以操纵许多不同的mRNA开关的翻译。

此外，研究小组测试了25种Cas蛋白，发现20种蛋白质可以抑制翻译，13种蛋白质仅与特定的mRNA对应物相互作用，这在结合使用它们来构建人工遗传回路时至关重要。因此，这种方法极大地增加了可用mRNA开关的多样性。

有了这个庞大的工具包，科学家们构建了各种复杂的人工电路，如平移逻辑和门以及多层级联。他们还通过采用Cas蛋白的转录和翻译控制，在哺乳动物细胞中设计了一个复杂的半减法算术回路。

通过大幅扩展可用于翻译调控的分子工具包，研究小组希望这项工作不仅能激发基于RNA和RBP的合成生物学应用，还能推动基因组编辑技术和CRISPR研究的未来发展，CARTRIDGE就是建立在这些技术之上的。