清华大学谢震研究员（图中）研究团队为合成基因线路构建与组装提供了一系列元件和模块，开发了一些新的基因线路的设计策略，开拓了合成生物学在癌症基因治疗、细胞治疗上的应用。
合成生物学是以工程学理论为指导，设计和合成各种复杂生物功能模块、系统甚至人工生命体，并应用于特定化学物生产、生物材料制造、基因治疗、组织工程等的一门交叉学科。合成生物学代表了生物系统设计的新趋势，其诞生可以追溯到上世纪六七十年代出现的多种技术，包括基因和蛋白调控以及DNA重组等。其中，基因线路的设计与组装是合成生物学的重要方向之一。
基因线路是指由一些基本元件构成的人工基因网络，可在活细胞中感受、整合、处理分子信号，自动地执行特定的生物功能。设计和构建基因线路就像拼乐高积木一样，通过不同人的不同组合，甚至同一人的不同巧思，可构建出不同的模型。而合成生物学家所使用的“积木”是分子生物元件，如基因、蛋白质等。基于基因线路的基因治疗在之前的研究中展示出了足够的潜力。我们的研究团队之前设计了一种自动检测并靶向杀死肿瘤细胞的基因线路：如果一个细胞包含特定的癌症特征，所设计的基因线路就可以让细胞自我摧毁。这种基因线路会监控6种不同的生物信号的水平，这些信号主要是调节基因表达的RNA短序列，即微小RNA（microRNA）。在一种源自人体子宫颈癌的Hela细胞中，这6种microRNA信号构成了一种独特的表达模式。这种独特的表达模式会打开基因线路中的自杀开关，产生可以指引细胞进入自杀程序的蛋白。而在非Hela细胞中，这个基因线路处于失活状态，不会驱动细胞自杀。
尽管该研究展现了人工设计的基因线路在癌症治疗领域中的优点和威力，但是基因线路设计与组装依旧存在着一些问题。比如构建基因线路所需要的标准化和可替换的元件较少，无法满足研究者的需求；所设计的基因线路性能和预测结果不符，调试成本过高；元件之间互相干扰，限制了复杂基因线路的构建。
我们坚信，只要有足够的“积木”，就几乎可以搭建一切。为了解决元件不足的问题，我们的团队构建出了一系列的TALE转录抑制子（transcriptionactivator-likeeffectorrepressor，TALER），相当于提供了一些新“积木”，这些“积木”具有结合特异DNA位点、抑制基因表达的功能。我们提供的这些新“积木”可以工程化定制设计，并且“积木”相互之间干扰小。利用TALER构建的基因线路可以更灵敏地监测细胞内信号，并做出更稳定的响应。这种基因线路就像现实生活中的白炽灯开关一样，轻轻一碰就可打开，即对启动要求的输入较低，并且抗干扰能力突出。我们还在Hela癌细胞中证实，以TALER元件构建的基因线路作为microRNA的感应器，感应在HeLa细胞中特异性表达的microRNA，可以提高从正常细胞中辨别出HeLa细胞的精确性。
为了使合成基因线路产生多功能输出，一个开关可以点亮或关闭多个白炽灯。我们的团队将TALER构建的基因线路与CRISPR/Cas9系统相结合。CRISPR/Cas9这一“积木”比TALER功能更加强大，具有靶向编辑DNA的能力，改造后的Cas9也可以开启或关闭靶向基因。我们利用这两种新“积木”设计的基因线路可以感知不同分子信号，并且实现了在不同类型细胞中精确调控目的基因，比如在细胞内源microRNA的作用下，所设计的基因线路可以在Hela癌细胞中靶向开启目的基因，而在正常细胞中则会关闭该目的基因。此外，该基因线路可以对细胞进行靶向重编程，同时调控多个基因的表达，定制细胞的响应，在生物医学领域有着巨大的应用价值。
致谢：感谢国家计划、青年千人计划、清华信息科学与技术国家实验室、清华自主科研项目、北京市自然科学基金委的支持。
作者：谢震、彭曙光
谢震，清华大学生物信息学教育部重点实验室、清华信息国家实验室生物信息学研究部/合成与系统生物学中心特别研究员
彭曙光，清华大学自动化系硕士研究生
