DNA双螺旋在转录时需要解旋，RNA聚合酶沿模板链移动合成RNA。这一过程不仅改变局部DNA结构，还会对上下游区域产生机械力：上游DNA变得松散（超螺旋负向增加），下游DNA变得紧致（正向超螺旋）。这种物理变化可以影响邻近基因被转录的难易程度。
当一个基因在细胞中被开启时，它会沿着DNA链产生涟漪效应，改变链的物理结构。麻省理工学院研究人员的一项新研究（发表于《Science》）表明，这些涟漪可以刺激或抑制邻近基因。这些效应源于邻近DNA的解旋或更紧卷，由基因沿DNA链的顺序决定。处于活跃基因上游的基因通常被上调，而下游的基因则被抑制。
这些新发现为控制合成基因回路的输出提供了指导。通过改变基因的相对排序和排列（即“基因语法”），研究人员可以创建相互协同以最大化输出、或者交替输出两种不同基因的回路。
MIT化学工程助理教授Katie Galloway说：“这非常令人兴奋，因为我们可以以前所未有的方式协调基因表达。语法对于动态回路将非常有用。现在我们不仅可以选择回路的生物化学特性，还可以选择物理设计来支持动态行为。”
Galloway是该研究的资深作者。MIT博士后Christopher Johnstone博士是论文的第一作者。其他作者包括MIT研究生Kasey Love、Brandon DeKosky实验室成员（Brandon DeKosky是MIT化学工程副教授），以及来自不列颠哥伦比亚大学Peter Zandsta实验室、荷兰莱顿大学医学中心Christine Mummery和Richard Davis实验室的研究人员。
当一个基因被复制成信使RNA（即转录）时，双链DNA螺旋必须解旋，以便一种称为RNA聚合酶的酶能够接触DNA并开始复制。这种解旋导致DNA链结构的物理变化。
在活跃基因的上游，DNA变得更松散，而在下游，DNA变得更紧密卷曲。这些变化影响RNA聚合酶接触DNA的能力：在活跃基因的上游，酶更容易附着；在下游则更困难。
在2022年发表的一项研究中，Galloway和Johnstone进行了计算建模，探索这些生物物理变化如何影响基因表达。他们研究了三种不同的排列，即语法类型：串联型、发散型和收敛型。
大多数合成基因回路被设计成串联排列，即一个基因后面跟着另一个下游基因。在发散型排列中，相邻的基因以相反的方向转录（彼此远离）；在收敛型语法中，它们朝向彼此转录。
建模表明，发散型排列最可能产生两个基因都高表达的回路。串联排列则预测下游基因会被上游基因抑制。在这项新研究中，研究人员希望观察能否在人类细胞中看到这些预测的现象。
Galloway说：“通常，我们把基因回路和DNA片段想象成画出来的线条，但它们实际上是具有物理特性的聚合物。我们在这篇论文中试图解决的问题是：当你把两个基因放在同一段DNA上时，它们的物理相互作用如何耦合？”
研究人员构建了各自包含两个基因的回路——以串联、发散或收敛的构型，并将其插入人类细胞系和人类诱导多能干细胞中。
结果证实了他们建模的预测：在发散型回路中，两个基因的表达都被放大。在串联回路中，开启上游基因会抑制下游基因的表达。这些效应产生的基因表达增减幅度高达25倍，并且可以在基因间距达2000个碱基对的距离上观察到。
研究人员还使用一种称为“Region Capture Micro-C”的高分辨率基因组图谱技术，分析了当附近基因被转录时DNA结构如何变化。正如预测，他们发现活跃基因下游的DNA区域形成称为“螺旋扭结”（plectonemes）的紧密扭曲结构，类似于扭曲的电话线所产生的缠结。这些结构使RNA聚合酶更难结合DNA。
为了改造这些细胞，研究人员使用了他们与LUMC团队共同开发的一个称为STRAIGHT-IN Dual的新系统，该系统可以将两个基因高效地插入同一DNA链的两个等位基因中。该系统在另一篇发表于《Nature Biomedical Engineering》的论文中报道。
这些新发现可以帮助指导合成基因回路的设计——过去这类回路的控制通常依赖于与激活或抑制分子的生化相互作用。现在，回路设计者还可以通过生物物理操作来增强或抑制基因表达。
Galloway说：“每个人都考虑他们需要的组件，以及构建回路所需的生化特性。现在，我们增加了这些组件的物理构建，这将改变这些生化单元被解读的方式。”
作为潜在应用的一个示范，研究人员构建了包含两个新抗体片段基因的合成回路（该抗体由DeKosky实验室发现，用于治疗黄热病），并将其整合到人类细胞中。正如预期，发散型语法产生了更大量的黄热病抗体。
Galloway的实验室也使用这种方法优化了他们此前报道的合成基因回路的输出，这些回路可用于递送基因疗法或将成体细胞重编程为其他细胞类型。
这种策略还可以用于构建各种其他类型的动态合成回路，例如触发器、振荡器或脉冲发生器，适用于任何需要精确控制基因表达的应用。
Galloway说：“如果你想实现协调表达，发散型回路很棒。如果想实现‘二选一’的表达，你可以想象使用收敛型或串联型回路，这样当一个开启时，另一个关闭，你可以交替产生脉冲。现在我们已经理解了语法，我认为这将为我们编程动态行为铺平道路。”（生物谷Bioon.com）
参考文献：
Christopher P. Johnstone et al, Gene syntax defines supercoiling-mediated transcriptional feedback, Science (2026). DOI: 10.1126/science.adw1925.
Albert Blanch-Asensio et al, STRAIGHT-IN Dual: a platform for dual single-copy integrations of DNA payloads and gene circuits into human induced pluripotent stem cells, Nature Biomedical Engineering(2026). DOI: 10.1038/s41551-026-01677-9.