新的基因工程技术可以帮助设计研究生物系统

一项新技术将帮助生物学家修补基因，无论目标是将细胞转变为生产药物的小工厂，修改作物以在有限的水中生长，还是研究基因对人类健康的影响。该技术于1月20日在Nature Communications上发表，它允许科学家精确调节特定基因产生的蛋白质含量。这个过程简单而富有创新性，到目前为止，从细菌到植物再到人体细胞都可以发挥作用。

“基本上，这是修改基因表达的通用工具包，”华盛顿大学圣路易斯医学院细胞生物学和生理学助理教授，该研究的资深作者Sergej Djuranovic博士说。“无论您是通过基因工程细胞生产特定的有机分子，还是研究基因的工作原理，它都可以使用。”

控制特定基因产生的蛋白质量的能力对于设计或重新设计生物系统的生物学家(例如构成细胞代谢的一组生化反应)来生产所需产品是一种福音。例如，一些药物 - 包括抗生素如万古霉素和抗癌药物如紫杉醇 - 是由细胞产生的新陈代谢副产物。通过微调某些基因，生物学家可以最大化生产的药物数量。

Djuranovic本人对调节基因表达以研究疾病相关基因感兴趣，例如与癌症有关的基因。

“有各种各样的复杂疾病，如癌症和自闭症，我们知道特定基因的表达被调低，但没有人知道这种减少是如何导致这种疾病的，”Djuranovic说。“对于经典遗传学，你只能研究当你有两个拷贝，一个拷贝或没有拷贝基因时，或者换句话说，100%，50%或零百分比的基因表达时会发生什么。现在我们可以看看它们之间的一切“。

该技术利用细胞过程中称为mRNA翻译的特征，这是从DNA产生蛋白质的关键步骤。为了制造蛋白质，首先将基因复制到称为信使RNA的相关分子中，然后将其翻译成蛋白质。

信使RNA是具有四种连接的长分子链 - 腺嘌呤(A)，胞嘧啶(C)，鸟嘌呤(G)和尿嘧啶(U)。一般来说，这些链接是混合在一起的，就像单词中的字母一样，但有时很多A会连续出现。这样的序列很滑; 将RNA翻译成蛋白质的分子机制有一种趋势，即在A到达终点之前在A的长轨道上停止和滑动，从而减少产生的蛋白质的量。

Djuranovic，研究生Laura Arthur及其同事表明，A字符串的光滑性可用于调节基因产生的蛋白质含量。它们添加到一条信使RNA的起点或中间的A越多，从它产生的蛋白质就越少。通过仔细控制A弦的长度，或在弦的某个位置引入不同的分子链，它们可以产生他们想要的蛋白质。

Djuranovic及其同事在细菌，原生动物，酵母，植物，果蝇，小鼠和人类细胞中测试了这项技术。它在所有这些生物体中起作用，因为RNA翻译是一种进化上古老的过程，在所有生命形态中都以相同的方式发生。

“关于这一点的好处是它有多么简单，”Djuranovic说。“过去，如果你想要一个能够将基因表达降低30%的突变，那么需要多年的工作和很多运气才能找到这样的基因。现在我们可以在几天内完成。”

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