如何筛选未知的有效靶点和如何对多基因同时调控，对应代谢工程中“调哪里”与“怎么调”的重要问题。CRISPRi技术已应用于细菌全基因组基因抑制，但可用于细菌全基因组转录激活的工具仍然有限。同时，鉴于细胞代谢网络的复杂性，研究人员基于先验知识设计的初始工程菌株往往需要多轮基因表达的调试才能满足生产要求，而多基因同时调控能够帮助加速找到答案。

针对上述难题，中国科学院天津工业生物技术研究所微生物代谢工程研究团队利用CRISPR相关转座酶，在大肠杆菌中成功构建了全基因组规模转录激活/终止与多基因同时转录调控的工具CAGER（CAST-mediated gene regulation toolkit）。CRISPR相关转座酶凭借不依赖于同源重组的可编程基因整合能力，在大肠杆菌展现了超高的基因整合效率，已被用于开发MUCICAT等多种工具。研究团队正是利用这种能力，以启动子或终止子为货物，靶向基因上游，实现转录激活或终止。

首先，研究团队对来源于霍乱弧菌的CRISPR相关转座酶进行了理性改造，成功消除了其末端序列对基因转录的天然干扰，使所运载的启动子或终止子发挥正常功能，实现对目标基因的上调或下调。之后，使用靶向大肠杆菌全基因组的crRNA质粒文库，团队构建了全基因组转录激活或终止文库，检测到分别覆盖3272和3339个基因，并从中鉴定出细胞乙酸同化相关的新型基因调控靶点。最后，以启动子文库为货物并借助M13噬菌体递送质粒文库，实现了大肠杆菌多基因同时调控。在番茄红素合成途径优化的应用案例中，24 小时内构建了一个靶向7个基因组位点（含12个基因）的多基因调控文库，使番茄红素产量提高了73.6倍。总之，该工作在提供了新型基因调控工具的同时，也展示了CRISPR相关转座酶元件的可塑性，拓宽了CRISPR相关转座酶在转录调控中的应用。

该研究工作得到国家自然科学基金和天津市合成生物技术创新能力提升行动等项目的资助，相关成果已发表于国际学术期刊Nucleic Acids Research，并申请专利1项。天津工生所博士后张译文为论文第一作者，研究员张学礼和博士后张译文为论文的共同通讯作者。

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CAGER工作原理图