[发明专利]一种远红光基因环路表达控制系统及其真核表达载体

说明书

技术领域

本发明涉及合成生物学、光遗传学、电子工程等多学科交叉领域，具体涉及一种包括远红光基因环路表达控制系统、包括所述远红光基因环路表达控制系统的基因环路远程调控系统，及其调控方法和应用。

背景技术

合成生物学是以工程学理论为指导,设计和合成各种复杂生物功能模块、系统甚至人工生命体，并应用于特定化学物生产、生物材料制造、基因治疗、组织工程等的一门综合学科。合成生物学经过近十年的飞速发展，已经在多个应用领域取得重大进展。尤其是在哺乳动物细胞合成生物学领域，人们设计、构建了多种可控的基因遗传电路用于诊断和治疗代谢疾病、癌症、免疫系统疾病等。

在合成生物学与疾病治疗领域，人工精确调控基因表达的分子开关在疾病治疗中已经成为一种不可或缺的手段。目前世界上已经有很多通过人工调控诱导基因表达的系统，主要可以分为两大类：(1)通过化学物质来诱导调控基因表达系统；(2)通过物理方法来诱导调控基因表达系统。

化学诱导物主要是一些小分子物质，例如四环素诱导调控基因表达系统[Gossen,M.等.,Proc Natl Acad Sci USA,1992,89:5547-5551]、乙醛诱导调控基因表达系统[Weber,W.等.,Nat Biotechnol.,2004Nov；22(11):1440-1444]、苯甲酸和香草酸诱导调控基因表达系统[Xie,M.等.,Nucleic Acids Res.2014Aug；42(14):]等。这些系统通常以化学物质为诱导物，有的系统经过多年来的优化获得了非常优异的诱导性能。因而在过去的数年间，化学物质来诱导调控基因表达系统广泛应用于时间上对基因的有效表达调控。但是化学物质来诱导调控基因表达系中涉及的小分子诱导剂存在一些潜在的问题，例如毒性、多效性、非特异性以及组织渗透性差等。而且化学物质来诱导调控基因表达系很难做到在时空上精确调控。

物理方法来诱导的调控系统包括：紫外线诱导调控的“囚笼(cage)”技术[Keyes,WM.等.,Trends Biotechnol.2003Feb；21(2):53-5.]、远红外光控制热激效应诱导调控基因表达系统[Kamei,Y.等.,Nat Methods.2009Jan；6(1):79-81.]、无线电控制温度感应诱导调控基因表达系统[Stanley,SA.等.,Science.2012May4；336(6081):604-8.]等。这些通过物理方法诱导基因表达的系统通常对细胞的毒性很大，可能会对细胞造成不可逆的伤害甚至使细胞死亡，而且这些系统涉及的一些设备装置较昂贵且操作复杂。

光是一种理想的基因表达诱导物，因为它在自然界中普遍存在，容易获得，高度可控，没有毒性，最重要的是，它能够在时间和空间上实现精确调控。因此利用光作为诱导剂来调控基因表达进而调控生命体的各种新陈代谢活动是生物学家们一直在追求的目标。在我们的前期研究工作中，尝试利用合成生物学的方法设计、合成了蓝光调控转基因表达的基因环路，利用蓝光作为开关去激活、调控表达基因[Ye,H.等,Science,2011.332(6037):p.1565-8.]。华东理工大学杨弋教授课题组报道了LightOn蓝光调控基因表达开关[Wang,X.等,Nat Methods,2012.9(3):p.266-9.]。然而蓝光用于调控体内基因表达有很大的局限性——蓝光透皮效率低，不易透过皮肤或腹腔去激活靶基因，极大地限制了光调控系统的深层次开发与临床应用。德国弗莱堡大学的Wilfired Weber教授课题组开发了红光调控的转基因表达控制开关[Müller K.等,Nucleic Acids Res,2013,41(7):e77.Nat Protoc,2014,9(3):622-32]，但是这个红光控制系统并未体现出较好的基因表达强度，也没有任何实验数据表明该红光控制开关在动物模型鼠体内调控基因表达的效果。更重要的是，该红光控制开关需要额外添加一种光敏色素藻蓝素(Phycocyanobilin)才能激活基因表达。而且这种色素来源极不方便，无法通过商业购买获得，需在实验室人工合成，合成步骤复杂，合成产物不稳定且产量极低。这些不利因素都极大地限制了该红光控制系统的进一步应用。