我们体内的所有细胞都具有相同的遗传密码，但它们的身份、功能和疾病状态却各不相同。以简单的方式实时区分一个细胞与另一个细胞，对于试图了解炎症、感染或癌症的科学家来说将具有无价的价值。
现在，德国马克斯·德尔布吕克分子医学中心的科学家创建了一种算法，可以设计出这样的工具，利用被称为“合成位点控制区”（sLCR）的 DNA 片段来揭示细胞的身份和状态。它们可以用于各种生物系统。该研究由分子肿瘤学实验室负责人 Gaetano Gargiulo 博士领导的团队完成，已报告在自然通讯。
“这种算法使我们能够创建用于标记和研究细胞的精确 DNA 工具，为细胞行为提供新的见解，”该研究的资深作者 Gargiulo 说。“我们希望这项研究能为理解和操纵细胞提供一种更直接、更可扩展的方法。”
这项工作始于卡洛斯·康朋特博士，他是加吉洛实验室的前研究生，也是这项研究的共同第一作者，他开始投入精力来自动化设计 DNA 工具，并让其他科学家可以使用它。他编写了一种算法来生成工具，帮助研究人员了解基本的细胞过程以及癌症、炎症和感染等疾病过程。
“这种工具使研究人员能够研究细胞从一种类型转变为另一种类型的方式。它特别具有创新性，因为它将指导这些变化的所有关键指令汇编成一个简单的合成 DNA 序列。反过来，这简化了癌症研究和人类发展等重要领域的复杂细胞行为研究，”Company 表示。
制作定制 DNA 工具的算法
该计算机程序名为“合成顺式调控 DNA 的逻辑设计”（LSD）。研究人员输入与他们想要研究的特定细胞状态相关的已知基因和转录因子，程序利用这些信息识别控制目标细胞活动的 DNA 片段（启动子和增强子）。这些信息足以发现功能序列，科学家不必知道细胞行为背后的确切遗传或分子原因；他们只需构建 sLCR。
该程序在人类或小鼠的基因组中寻找很可能结合，Gargiulo 实验室的研究生兼共同第一作者 Yuliia Dramaretska 说。它生成一个 150 碱基对长的相关序列列表，这些序列很可能充当所研究疾病的活性启动子和增强子。
“显然，它不会随机列出这些区域，”她说，“算法实际上是对它们进行排序，并找到最能有效代表你想要研究的表现型的片段。”
就像细胞内的灯
然后，科学家可以制作一种称为合成基因座控制区（sLCR）的工具，其中包括生成的序列，后面是编码荧光蛋白的 DNA 片段。
Gargiulo 实验室研究员、论文共同第一作者 Michela Serresi 博士表示：“sLCR 就像一盏可以放在细胞内的自动灯。这盏灯只在你想要研究的条件下才会亮起。”“灯”的颜色可以变化以匹配不同的感兴趣状态，这样科学家就可以在并能根据颜色立即知道每个细胞的状态。“我们在进行治疗时，可以用眼睛观察培养皿中的颜色，”Serresi 说道。
科学家们已经通过利用该计算机程序在 SARS-CoV-2 感染细胞中筛选药物验证了其实用性，该成果已于去年发表在科学进步他们还用它来寻找与胶质母细胞瘤这种脑癌有关的机制，对于这种疾病，没有一种单一的治疗方法有效。
“为了找到针对胶质母细胞瘤特定细胞状态的治疗组合，你不仅需要了解这些细胞状态的定义，还需要在它们出现时观察它们，”Gargiulo 实验室研究员兼共同第一作者 Matthias Jürgen Schmitt 博士说，他使用实验室中的工具来展示它们的价值。
现在，想象一下实验室中设计的免疫细胞作为基因疗法来杀死一种癌症。当注入患者体内时，并非所有这些细胞都能按预期发挥作用。有些细胞会很有效，而另一些细胞可能处于功能失调状态。Gargiulo 实验室将使用该系统研究这些精细的抗癌细胞疗法在制造过程中的行为。
Gargiulo 表示：“通过正确的合作，这种方法有可能推动癌症、病毒感染和免疫疗法等领域的治疗进步。”
