基于CRISPRi的植物基因表达控制电路

学术背景：在植物生物技术领域，传统的基因操作方法侧重于通过持续表达转基因来生产所需的表型和细胞活性。然而，强大的持续启动子可能会导致基因沉默、代谢负担或对产量产生其他不良影响，从而无法充分实现转基因的潜在益处。通过合成生物学方法，构建合成基因回路有望解决这些挑战，合成基因回路通过整合多种输入信号来控制基因输出，增强对基因表达的时空控制。

作者及来源：本研究源自澳大利亚西澳大学分子科学学院的多位研究人员，包括Muhammad Adil Khan、Gabrielle Herring、Jia Yuan Zhu 等，在《Nature Biotechnology》杂志上发表，文章发表日期为接收日期：2022年7月29日，接受日期：2024年4月10日，发布日期和在线更新请查阅文章。

研究流程： 1）首先，研究小组选择了拟南芥（Arabidopsis thaliana）丙谷氨酰胺转运蛋白（TCTP）作为初始目标，开发了一种基于CRISPR干预（CRISPRi）的可逆基因回路平台。 2）通过构建不同强度的工程启动子，创建了NOT和NOR逻辑门，并确定了从RNA Pol II启动子表达单向引导RNA（sgRNAs）的最佳处理系统，实现NOR门编程与生物宿主调节序列的接口。 3）通过在稳定转化的拟南芥植株中演示NOR门的表现，展示了系统的编程性和可逆性，并确立了交叉物种逻辑门在多种拟南芥原生质体中的活性。 4）通过叠加多个NOR门来创造OR、NIMPLY和AND逻辑功能，展示了系统模块化。

主要结果： a) 研究表明，利用CRISPRi可以在植物细胞中构建可编程和可逆的合成基因回路。 b) 所开发的合成启动子可被有效地用于控制基因表达和搭建逻辑门。 c) 证明CRISPRi基于的逻辑门在多种植物物种中都有活性，包括拟南芥、苔藓植物Physcomitrium patens、小麦（Triticum aestivum）和油菜（Brassica napus）。 d) 通过将多个NOR门连接起来，构建了OR、NIMPLY和AND等复杂的逻辑功能。

结论含义： a) 科学价值：为植物合成生物学提供了一个新的平台，以实现对基因表达的复杂可编程控制，有助于在动态内外环境刺激下编程植物响应。 b) 应用价值：此技术有望改善植物应对环境压力的能力，增加产量，为未来的作物改良提供新工具。

研究亮点： 1) 研究介绍了CRISPRi逻辑门的功能及在多种植物物种中的适用性，拓展了合成生物学在植物基因工程中的应用领域。 2) 研究方法和工作流程：开发了高通量的原生质体转染测试平台，增加了测试吞吐量并减少了原生质体转染率变异对逻辑门功能解析的干预。 3) 提供的工具箱（包含工程启动子和合成基因回路）有利于科研人员开发更高级的时空控制基因表达策略。