Nature Biomedical Engineering丨开发基于细胞内部分子活性的合成生物学细胞状态检测器

引言

哺乳动物，包括人类在内，由众多不同类型的细胞组成。在各种生理和病理过程中，这些细胞的状态不断发生变化，例如在细胞分化、衰老以及癌症等疾病的发展过程中。此外，细胞状态也会在人为引导的过程中发生变化用来研究和治疗疾病。理解和控制这些变化对于治疗疾病和再生医学至关重要。近年来，单细胞测序技术的迅猛发展极大地增强了我们对各种细胞状态以及这些状态下多种分子随时间演变的理解。在细胞状态转变过程中，细胞内的各种分子，如DNA、RNA和蛋白质，也会随之发生变化。在这些分子中，microRNA（miRNA）在检测细胞状态方面特别有优势。miRNA是一种小RNA分子，它调控其他RNA分子表达。细胞内miRNA的活性与细胞类型、组织类型和疾病状态密切相关。然而，现在主要的技术层面的挑战是实时监测单个活细胞内的这些分子的变化，并在适合的细胞状态下激活相应的基因表达以实现既定的细胞分化或者治疗效果。实现这种细胞状态在分子层面的控制将为理解生物发育和改善人类健康开辟新的机会。

2024年7月9日，来自麻省理工学院Ron Weiss教授团队（第一作者为Lei Wang王蕾，现为美国东大学助理教授，也是本文的共通讯作者之一）在Nature Biomedical Engineering杂志上发表了文章Sensing and guiding cell-state transitions by using genetically encoded endoribonuclease-mediated microRNA sensors。该团队开发了一种基于细胞内部分子活性的合成生物学细胞状态检测器，该检测器用来引导特异性细胞状态的变化。这些细胞状态检测器用细胞特异性的miRNAs来控制一种起RNA剪切作用的核糖核酸内切酶的表达，从而在RNA水平上调控目标基因。这些核糖核酸内切酶以及其对应的被剪切的RNA元件是基于Ron Weiss教授团队之前开发了一种RNA调控技术，用于创建称为“PERSIST”（全称为“Programmable Endonucleolytic Scission-Induced Stability Tuning”）的合成生物学元件系统，该技术能够抵抗表观遗传沉默。

在最新发表的这篇文章中，他们开发并表征了由细胞内特异性miRNA引发的和PERSIST介导的细胞状态感应器。首先，该团队展示了一种基于细胞内源miRNA的细胞状态检测的方法。该方法首先用于检测HEK-293FT细胞内瞬时表达的特定miRNA的活性。接下来，他们通过单细胞分析优化了细胞状态检测器组成元件的化学计量，从而显著提高了miRNA细胞状态检测器的性能。按照相同的流程，他们在这项研究中设计、构建并优化了多个基于PERSIST介导的miRNA细胞状态检测器。该团队实时监测了人类干细胞转变为内皮细胞（血管内壁细胞）的过程，该细胞状态检测过程使用了两种细胞类型特异型miRNA分子，内皮细胞特异型分子miRNA-126和干细胞特异性分子miRNA-302a。他们还使用另一组分子miRNA-21和let-7a来识别和分离癌细胞和非癌细胞，以及特异性地富集癌细胞。此外，他们利用miRNA-133传感器监测了肌肉前体细胞向肌纤维的转变。最重要的是，他们展示了miRNA-126传感器可以自动引导干细胞通过逐步分化过程，先转变为内皮细胞，再进一步转变为造血细胞。这种方法由miRNA活性作为指示，以确保细胞仅在合适的状态下才进入下一阶段的分化。这种条件性基因激活的方法持久且对表观遗传变化具有抵抗力，可以帮助监测和引导正常和病变条件下的细胞状态变化。最终，这项技术可以用于重新编程细胞状态，以用于疾病建模、细胞治疗和再生医学。

参考文献

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