《细胞》：三效合一的新型基因表达调控技术

研究人员研制出一种分子开关，能够可逆控制哺乳动物基因的开启和关闭，控制基因的表达水平，将对生物学过程和疾病相关基因的研究的精确度提高到一个更高的水平。详细内容刊登于上周《Cell》。

作者对这项研究“允诺了很多，”明尼苏达大学Perry Hackett（未参与研究）说，“他们兑现了允诺。”

研究小组带头人、波士顿大学James J. Collins说，控制基因表达的三种传统技术都有局限性。遗传学技术使“敲除”变得不可逆，因此研究基因在发育过程不同时间点的功能变得很困难。利用小分子（如四环素）的方法不能完全阻断靶蛋白的表达。RNA干扰（RNAi），利用小RNA阻断mRNA功能的技术，只是部分阻断表达，而且经常阻断与靶基因序列相似的基因的表达。

Collins与其同事采用一种合成生物学方法，将这三种技术的主要元件整合为一个基因调控系统。尽管这三种方法单独使用时，只能部分阻断基因的表达，但整合后会将表达降低到可忽略不计的水平。

当此开关关闭，系统表达一种抑制蛋白，将靶基因维持在关闭状态。小发卡RNA（short hairpin RNA ，shRNA）提供了第二道关卡，阻断漏网之“靶基因”。

开关能够被一个小的化学诱导物打开。诱导物会关闭抑制蛋白的表达，打开另一种阻断shRNA基因的抑制蛋白。两道关卡都被打开后，目的基因得以表达，mRNA得以翻译。完全开启或者关闭的整个过程需要三天时间，但某些效果在几小时内便“显而易见”。

“想象一下用我们这种开关控制一个在发育晚期表达的目的基因，”Collins说，“你会希望能够在发育的关键阶段将其关闭，在另一阶段将其打开。现有技术无法实现将其完全关闭，除非将此基因彻底敲除。”

他们利用几种实验室培养的细胞系，在几种基因上检测这种系统。在以表达白喉毒素(Diphtheria toxin,DT)A片段(DTA)的细菌基因为靶基因的检测中，DTA的表达受到紧密调控：一个DTA分子足以杀死细胞，但胞内无DTA的细胞却不受任何影响。

Hackett注意到，此开关的关键优势在于，能够通过定量控制诱导物分子的表达而精确控制靶基因的表达水平，而且是可逆性控制。

由于其模块性质，此开关能够对任何目的基因进行控制。Collins说。“比如，我们能够用组织特异的启动子研制新的动物模型，”他还认为这种系统能够被实验室以外的研究采用，可能为递送基因试剂提供一种自动防故障途径。

调控基因表达的 miRNA 

micro  RNAs  (miRNAs)  是一类长约22核苷酸的非编码的单链  RNA  分子，它们广泛存在于从植物、线虫到人类的细胞中。最早发现的是  lin-4  和它的靶  mRNA，即  lin-14。1993年，Lee  等人用经典的定位克隆的方法在线虫  (C.  elegans)  中克隆了  lin-4  基因，并通过定点突变发现  lin-4  并不编码蛋白，而是产生一种小  RNA  分子。这种小  RNA  分子能以不完全互补的方式与其靶  mRNA  的3'非翻译端的特定区域相互作用来抑制  lin-14  的表达，最终导致  lin-14  蛋白质合成的减少，这种现象叫做转译抑制。通过转译抑制，  lin-4  控制着  C．elegans  幼虫由  L1  期向  L2  期的转化。为什么一个只有22  nt  的  RNA  分子起着如此重要的调节作用？当时人们无法解释，只能认为是一种稀少的个别现象。但是，2000年第2个  miRNA  let-7  及其人类和果蝇中同源物的发现改变了人们的看法，  miRNA  可能是一类进化上保守的、在生命中起着重要调控作用的分子。它们能有效地抑制相关蛋白质的合成，导致靶  mRNA  的降解，或者其他形式的调节机制来抑制靶基因的表达，产生基因沉默。近年来发现  miRNA  可能在基因表达调控领域中起着超乎想象的重要作用，miRNA  序列、结构、丰度和表达方式的多样性，使其可能作为蛋白质编码  mRNA  的强有力的调节子。miRNA  的发现丰富了人们对蛋白质合成控制的认识，补充了在  RNA  水平对靶  mRNA  分子进行更迅速和有效的调节，展现了细胞内基因表达调控全方位多层次的网络系统。miRNA  的发现也是对中心法则中  RNA  次要的中介角色的重要补充，它将促使生物学家重新思考细胞遗传调控及其发育等方面的重要问题。