在生物体内，功能上具有关联性的基因通常被限制在特定的区室中进行高效的级联基因表达。例如，在真核细胞中，染色体根据基因功能相关性被分割成多个染色体域；线粒体DNA上排列着一系列编码呼吸链复合物的基因，并被包裹在线粒体中。因此，研究基因DNA区室化效应（compartment effect）对级联基因表达的影响可为了解细胞构筑与功能之间的关系提供重要启示。

近期，天津大学化工学院仰大勇教授课题组通过在金纳米颗粒上共同锚定两段在功能上具有关联性的基因，构建了纳米界面上的基因线路区室化结构，并利用无细胞基因表达系统研究了基因线路区室化对级联基因表达的影响。本研究中，模型基因线路由调控蛋白T7 RNA聚合酶基因和报告蛋白增强型绿色荧光蛋白基因组成。采用聚合酶链式反应（PCR）在两种基因的一端各组装了一个带有两个巯基修饰的枝状支架，并通过金硫键将两种基因共同锚定在金纳米颗粒表面，在纳米界面上构建了的基因线路区室化结构。该基因线路区室化结构将调控蛋白基因和报告蛋白基因之间的物理距离拉近在纳米级范围内，使表达合成的调控蛋白RNA聚合酶主要分布在区室区域，并快速穿梭到邻近的报告蛋白基因上，从而促进级联基因表达。实验结果表明，基因线路区室化结构提高了报告蛋白的产率和初始表达率，缩短了级联基因表达的反馈时间。另外，这种基因线路区室化效应具有基因浓度依赖性：相比于高基因浓度，基因线路区室化结构在相对较低基因浓度下更能发挥空间区室效应，显著提高级联基因表达效率。该工作不仅为构建纳米界面上基因线路区室化提供了一个简化的模型，更为了解细胞构筑与功能之间的关系提供重要启示。

研究结果发表于Journal of the American Chemical Society 上，相关成果已申请中国发明专利。天津大学化工学院博士研究生郭小翠和李凤副教授为共同第一作者。研究得到国家自然科学基金的资助支持。

图1. 在金纳米颗粒表面构建的基因线路区室化结构。a) 模型基因线路包含调控蛋白T7 RNA聚合酶基因和报告蛋白增强型绿色荧光蛋白基因。b) 利用PCR在两种基因的一端各组装一个带有两个巯基修饰的枝状支架。c) 纳米界面上的基因线路区室化结构将调控蛋白基因和报告蛋白的之间的空间距离拉近在纳米级范围内，为无细胞级联基因表达提供了区室化。