背景与挑战

 

单细胞技术的飞速发展和各类细胞图谱计划的推进，为解析细胞类型和状态提供了丰富的分子标签。RNA作为决定细胞类型和状态的核心介质，其表达失调或突变可导致多种病变细胞状态的演化，包括肿瘤的发生。然而，现有的技术大多局限于RNA检测或示踪，无法直接将RNA变化信号转化为对细胞状态的调控信号。尽管最新的RNA传感器如eToehold switch和ADAR switch在RNA浓度感应方面取得了进展，但它们仍存在无法灵活感应点突变、可设计性差或脱靶毒性等局限性。

 

 最新研究进展

 

中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所娄春波课题组与清华大学生命科学学院吴琼课题组合作，在《自然通讯》（*Nature Communications*）上发表了一篇题为《活细胞中高分辨率和可编程的RNA-IN和RNA-OUT基因线路》的研究论文。该研究开发了一种新型的基因线路——RNA-IN/RNA-OUT，能够在活细胞内高灵敏、可编程地感应和响应广谱RNA浓度和序列的动态变化，并对特定靶细胞进行精准调控。

 

 技术特点

 

1. **RNA-IN模块**：

   - **CASP传感器**：CASP传感器由可编程的RNA结合蛋白（DiCas7-11）和效应蛋白（转录激活因子CI434及激活域VP64）组成。通过crRNA引导，CASP传感器能够激活蛋白酶活性，释放锚定在细胞膜的效应蛋白，从而实现转录调控。

   - **高灵敏度**：CASP传感器能够检测内源表达低至8个转录本每百万条转录本（TPM）的RNA。

   - **单碱基分辨率**：通过系统地探索DiCas7-11对碱基错配的容忍临界点，研究团队引入了辅助突变位点的协同策略，将单点突变的检测能力由1.5倍提升至94倍，实现了对单碱基突变的高灵敏度检测。

 

2. **RNA-OUT模块**：

   - **dSpCas9-VPR内源性激活器**：该模块能够响应RNA-IN模块的信号，实现特定基因的转录激活。

   - **灵活调控**：通过连接CASP传感器和dSpCas9-VPR内源性激活器，RNA-IN/RNA-OUT基因线路能够在活细胞内实现对不同表达水平的RNA感应，并响应环境因素刺激时细胞内部动态变化的RNA，最终实现特定基因的转录激活。

 

 应用前景

 

1. **细胞与基因治疗**：

   - **肿瘤细胞识别与消杀**：RNA-IN/RNA-OUT基因线路能够识别特征点突变的RNA，选择性地杀死胰腺癌和肝癌细胞，为肿瘤治疗提供了新的策略。

   - **细胞分化与转分化**：该线路能够动态监测细胞分化和转分化的细胞状态变化，为细胞重编程和再生医学提供有力工具。

 

2. **生物合成**：

   - **内源性代谢网络激活**：通过连接持续表达的RNA，RNA-IN/RNA-OUT基因线路能够激活孕酮的内源性生物合成代谢网络，为化合物的生物合成提供新的途径。

 

3. **细胞命运操控**：

   - **重构RNA调控网络**：RNA-IN/RNA-OUT基因线路能够在任意的RNA之间建立强关联，重构细胞内部的RNA调控网络，赋予细胞新的生物学功能。

 

 结论

 

RNA-IN/RNA-OUT基因线路具有高灵敏、可编程、单碱基分辨率的特点，能够在活细胞内感应RNA动态变化并直接转换为特定基因的转录调控指令。这一技术在细胞与基因治疗、细胞重编程以及化合物的生物合成等领域拥有广泛的应用前景，为细胞命运的操纵提供了革新性的技术支持。