宋杰课题组在Science Advances上发表环状单链DNA的基因调节器2.0版
合成生物学旨在构建基因工程回路,以准确预测和控制活体系统中的细胞过程。在转录调控中,转录因子作为核心调控元件,可通过与特定分子配体的结合或解离,动态调节其与目标双链 DNA 的亲和力,进而实现转录过程的激活或抑制。在转录后水平调控中,基于RNA的调控元件如核糖调节因子、核糖开关和核酶等分子工具,能够通过RNA相互作用介导的构象变化操控mRNA翻译过程。与RNA调控元件类似,基因编码的环状单链DNA(Css DNA)遵循沃森-克里克碱基配对原则,可通过DNA-DNA相互作用,包括DNA杂交和链置换反应,在哺乳动物细胞中实现基因表达的控制。中国科学院杭州医学研究所宋杰团队前期的研究表明,Css DNA可作为可编程的基因表达载体,在哺乳动物细胞和无细胞蛋白质表达系统中实现基因表达的抑制与重新激活。这一发现揭示了Css DNA在构建更复杂基因合成网络方面的巨大潜力,使其有望成为基因调控领域的新兴力量。近期,宋杰团队针对前期课题组开发的Css DNA调节器(1.0 版)阻断链设计的限制问题,成功研发出升级版的Css DNA调节器(2.0 版)。如图1,团队在阻断链交联位置引入双链桥结构,既不影响对Css DNA表达的抑制,又使触发输入链不受序列限制;同时利用ATP、APE1和RNase H等内源性分子调节双链桥结构形成,实现对哺乳动物细胞中Css DNA表达的精准基因调控,并构建了三输入三输出的基因电路,展示了基于Css DNA的内源性分子介导的多基因表达可编程调控策略,为合成生物学在基因调控领域提供了创新思路与方法。该成果以 “Upgraded circular single-stranded DNA regulators for Multiple-Input-Multiple-Output gene circuits in mammalian cells” 为标题,发表在国际权威期刊《Science Advances》上。图1. Upgraded circular single-stranded DNA regulators for Multiple-Input-Multiple-Output gene circuits in mammalian cells近几年来,宋杰团队围绕Css DNA这一分子生物学新工具开展了系列研究。在Nature Communications 2024,15,463和Nature Communications 2023,14,6665上分别阐述了Css DNA在cell-free系统和细胞内的蛋白表达机制及调控新思路;在ACS Synthetic Biology 2024,13,1038中详细综述了Css DNA的物种起源、生物效应和前沿应用;此外,还利用新型叶酸修饰的脂质纳米颗(FA-LNPs)系统递送用于表达IL-12的Css DNA,在小鼠体内实现长效表达,并应用于4T1三阴性乳腺癌治疗(Advanced Healthcare Materials,2024,13: 2401376)。这一系列研究成果充分展现了Css DNA作为可编程基因表达载体及在基因治疗方面的强大潜力。此外,在基因编辑领域,美国产业界的公司也非常看好这个领域,并于2024年12月在《Nature Biotechnology》发表题为 “Efficient non-viral immune cell engineering using circular single-stranded DNA-mediated genomic integration” 的研究论文,报导了一种非病毒基因组编辑催化剂(GATALYST)系统,利用Css DNA作为供体模板,实现高效精准的基因组整合。与传统的双链DNA(dsDNA)和线性单链 DNA(lssDNA)供体相比,Css DNA具有更高的同源重组修复效率、高特异性和低细胞毒性,其环状结构可抵抗核酸外切酶降解,提升了基因编辑的效率与稳定性,研究还展示了Css DNA在多种免疫细胞类型中提高敲入效率和降低细胞毒性的潜力,并在体外和体内模型中验证了其在CAR-T和NK细胞治疗中的应用前景。在疾病诊断应用方面,哈佛医学院遗传学泰斗George M. Church于2025年3月在bioRxiv 预印本上发表题为 “Programmable Nucleic Acid Sensing in Human Cells Using Circularizable ssDNA” 的研究论文,建立了基于Css DNA的SONAR(Sensing Of Nucleic acids using ASOs and Reverse-transcriptases)平台。该平台利用可环化的单链DNA传感器,与互补DNA或逆转录后的RNA杂交后,通过内源性连接酶进行靶标依赖性连接,驱动基因编码的Css DNA表达,可检测人类细胞中的特定DNA和RNA序列,实现对疾病相关分子标志物的检测,在癌症、病毒感染等疾病的早期诊断中具有重要应用价值。此外,凭借其稳定结构和可设计性,Css DNA还可与现有诊断技术结合,如在核酸扩增诊断技术中作为模板或引物,提高扩增效率和特异性,为临床诊断提供更有力支持。总体而言,Css DNA在合成生物学的基因表达调控、基因编辑、基因治疗和疾病诊断等关键环节,均展现出重要性与创新性,为生物医学发展提供了新方向和有力工具支持,具有巨大的研究与应用潜力。未来,对Css DNA的进一步研究需融合理学的结构与修饰、工学的底盘元件挖掘与优化、生物学的合成与改造,以及医学的内源免疫和基因治疗等多学科知识与技术,有望使其发展成为医学合成生物学领域重要的分子工具。文章链接:https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adv3396<!--!doctype-->
2025-05-22