Cell：调控哺乳动物基因表达的分子开关

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。

原始出处:

Cell, Vol 130, 363-372, 27 July 2007

Resource

A Tunable Genetic Switch Based on RNAi and Repressor Proteins for Regulating Gene Expression in Mammalian Cells

Tara L. Deans,1 Charles R. Cantor,1 and James J. Collins1,

1 Department of Biomedical Engineering, Center for BioDynamics and Center for Advanced Biotechnology, Boston University, Boston, MA 02215, USA

Corresponding author
James J. Collins
jcollins@bu.edu

Here, we introduce an engineered, tunable genetic switch that couples repressor proteins and an RNAi target design to effectively turn any gene off. We used the switch to regulate the expression of EGFP in mouse and human cells and found that it offers >99% repression as well as the ability to tune gene expression. To demonstrate the system's modularity and level of gene silencing, we used the switch to tightly regulate the expression of diphtheria toxin and Cre recombinase, respectively. We also used the switch to tune the expression of a proapoptotic gene and show that a threshold expression level is required to induce apoptosis. This work establishes a system for tight, tunable control of mammalian gene expression that can be used to explore the functional role of various genes as well as to determine whether a phenotype is the result of a threshold response to changes in gene expression.

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