合成基因线路对细胞的输入-输出关系进行编程，以执行定制的功能。然而，扩大这些线路规模的努力受到了数量有限的具有高可编程性、高性能、可预测性和正交性的可靠调节机制的阻碍。

2025年1月2日，浙江大学王宝俊团队在Nature Chemical Biology在线发表题为“Programmable trans-splicing riboregulators for complex cellular logic computation”的研究论文，该研究报道了一类基于从头设计的外部指导序列的分裂内含子激活的反式剪接核糖调节子(SENTRs)。

SENTR库提供了低泄漏表达、宽动态范围、机器学习的高预测性以及在多个组件级别的低串扰。SENTRs可以感知RNA靶，通过逻辑计算处理信号，并将其转化为各种输出，无论是mRNA还是非编码RNA。随后证明，使用多个正交SENTR同时调节单个基因，并将SENTR与分裂内含子介导的蛋白质反式剪接偶联，可以实现多达6个输入的数字逻辑运算。SENTR在大肠杆菌转录后水平上代表了一种强大和通用的调控工具，暗示了广泛的生物技术应用。

合成生物学中的一个长期挑战是通过构建复杂的遗传电路来编程细胞行为，这需要可组合和正交的生物部分，以及在整合这些组件时可预测的电路行为。基于RNA的调控因子(riboregulators)因其简单的碱基配对机制、固有的可编程性、快速的动力学和低代谢负荷而受到越来越多的关注。到目前为止，已经开发了大量用于不同目的的核糖调节子，包括toehold开关和阻遏物，小转录激活RNA ，核酶，微小RNA，小RNA ，RNA-responsive或RNA靶向聚集的规则间隔短回文重复序列(CRISPR)-Cas系统和RNA编辑系统，它们允许组合逻辑线路，如多输入and，NAND，or和NOR逻辑门。

然而，在使用这些RNA模式定制遗传回路方面仍然存在挑战：首先，许多模式的功能涉及内源调节机制(例如，翻译和降解)或蛋白质元件，服从宿主-回路相互作用和回路之间的资源竞争。第二，翻译调节子修饰输出蛋白质序列(尤其是N-末端序列),对蛋白质活性产生意想不到的影响，阻碍它们与蛋白质水平调节子的整合。第三，RNA发夹结构的变构顺式调节，作为从头设计核糖调节子的主要机制，可能遭受依赖于序列变体的泄漏风险，并且需要艰苦的筛选以减少RNA错误折叠和优化动态范围。因此，开发高质量的基因元件和简单高效的基因线路设计策略，对提高基因线路复杂度和规模至关重要。

SENTRs的设计、体内表征和计算机预测（图源自Nature Chemical Biology）

该研究首先开发了一种基于断裂内含子反式剪接的新型基因调控技术SENTR，在RNA水平实现了可编程、可预测、模块化且正交的基因表达调控。随后，该研究提出了断裂内含子和内含肽结合的生物分子剪接复合线路设计方法，在活细菌中成功实现了可以处理多达6个输入信号的复杂逻辑计算。

这项研究围绕目前基因线路规模化、复杂化面临的两个难题--高质量正交基因元件缺乏和转录因子消耗过多，开发了基于断裂内含子剪接的新型基因调控技术和元件，并提出了基于断裂生物分子剪接的复杂基因线路设计策略。研究中开发的内含子元件在RNA检测、RNA环化以及RNA疗法等领域有诸多潜在应用，而基于内含子和内含肽的基因线路设计策略可以大幅提高单个转录因子的信息处理能力和逻辑计算线路的复杂度，将为复杂基因线路设计提供新的范式。

参考消息：

https://www.nature.com/articles/s41589-024-01781-4#Sec25

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