近日，清華大學自動化系汪小我課題組基於“數基–碳基融合”的研究思路，揭示了microRNA的基因表達降噪機制，並將其應用於合成基因回路設計，通過指導構建人工基因細胞分類器，實現了對腫瘤細胞的精准識別。
本世紀以來，合成生物學作為一門新興學科取得了蓬勃發展，在醫藥健康、代謝工程、環境保護等領域展現出重大應用潜力。合成生物學家從電子電路中獲得靈感，通過設計DNA等生物大分子，構建能够感知環境訊號、並對其進行計算和執行的合成基因回路，將其導入到細胞之中發揮多樣功能。然而，各類生化反應過程中都內蘊著無法避免的隨機性，為基因表達過程引入雜訊，影響基因回路的準確性和穩定性。囙此，理解基因表達雜訊的調控模式以及雜訊對合成基因回路的影響，對設計出準確、穩定的合成基因回路具有重要意義。
microRNA作為一種在不同細胞中表達迥異的生物分子，經常被應用為訓示細胞類型與細胞狀態的標記物，作為系統輸入在合成生物學中得到了廣泛應用。microRNA被普遍認為可在後轉錄層面抑制基因表達水准，進而調控眾多生理病理過程；然而，大部分microRNA對其靶標RNA的抑制能力都十分微弱，此類microRNA–靶標RNA相互作用關係的生物學功能尚未被完全揭示。有研究證實microRNA可以調控基因表達雜訊，但人們尚不清楚何種因素會影響其雜訊調控的模式，這種雜訊調控模式又會如何進一步影響以microRNA為輸入的合成基因回路的效能。
“數基–碳基融合”的microRNA調控解析
在前期研究中，汪小我課題組提出了“數基–碳基融合”的研究思路，建立了競爭性調控的一致化數學模型，結合數學模型和合成生物學實驗共同揭示了內源性競爭性RNA對microRNA調控能力的定量影響。在此基礎上，研究團隊基於一致化競爭性調控模型，預測在基因表達水准類似時，相互作用强度較弱的競爭性RNA可以起到緩衝基因表達雜訊的作用。為驗證這一猜想，研究團隊設計了能够反映基因表達雜訊水准的合成基因回路並將其導入細胞，定量觀測擁有不同結合强度競爭性RNA的microRNA的基因表達調控雜訊模式，證明了上述模型預測結果的準確性。此外，研究團隊還利用類似思路發現，不同microRNA靶點的數量和組合形式也會對基因表達雜訊造成明顯影響。研究團隊進一步將上述機制應用於一個以microRNA為系統輸入的細胞分類合成基因回路的設計優化之中，通過改變microRNA的種類及其靶點形式定向調控細胞分類器中基因的表達雜訊，成功提升分類器的分類效果，實現了對腫瘤細胞系（HeLa）的精准識別。
人工基因細胞分類器的分類效果
上述結果揭示了細胞內相互作用强度較弱的microRNA–靶標RNA關係在維持基因表達穩定性方面的重要意義，同時證明了可以通過理性設計microRNA及其靶點控制基因表達雜訊，進而提升合成基因回路的效能。這一工作表明在合成基因回路設計中必須充分考慮資源競爭和基因表達雜訊導致的複雜現象，同時為合成基因回路設計提供了相應的設計理論與計算分析工具。
相關成果以“刻畫microRNA介導的基因表達雜訊控制模式及其對合成基因回路的影響”（Characterizing microRNA-mediated modulation of gene expression noise and its effect on synthetic gene circuits）為題發表在Cell系列期刊《細胞報導》（Cell Reports）上。自動化系汪小我教授為本文的通訊作者，自動化系博士後魏磊、生命學院大學生李帥霖為本文的共同第一作者，自動化系博士生張鵬程、胡濤和張奇偉教授、謝震教授為論文的共同作者。該研究受到了國家自然科學基金原創探索計畫項目與科技部國家重點研發計畫的資助。
論文連結：
https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247（21）01007-X
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