微生物所等在基因元件設(shè)計(jì)原則方面取得進(jìn)展

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曉木蟲(chóng)

微生物所等在基因元件設(shè)計(jì)原則方面取得進(jìn)展

摘要: 　　7月3日，中國(guó)科學(xué)院微生物學(xué)習(xí)所婁春波課題組與合作者在自然-通訊（Nature Communications）雜志在線發(fā)表了題為Insulated Transcriptional Elements Enable Precise Design of Genetic Circuits 的學(xué)習(xí)論文。他 ...

　　7月3日，中國(guó)科學(xué)院微生物學(xué)習(xí)所婁春波課題組與合作者在自然-通訊（Nature Communications）雜志在線發(fā)表了題為Insulated Transcriptional Elements Enable Precise Design of Genetic Circuits 的學(xué)習(xí)論文。他們開(kāi)發(fā)了一套普適于原核生物轉(zhuǎn)錄調(diào)控元件的絕緣化設(shè)計(jì)原則。該原則通過(guò)絕緣化處理消除了基因轉(zhuǎn)錄過(guò)程的核心元件——啟動(dòng)子（Promoter）和操作子（Operator）之間的功能干涉效應(yīng)，顯著提高了它們的模塊化屬性和組裝過(guò)程可預(yù)測(cè)性，從而首次在生物基因?qū)用鎸?shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和虛擬優(yōu)化的全過(guò)程。該學(xué)習(xí)成果極大地簡(jiǎn)化了人工基因調(diào)控網(wǎng)路的設(shè)計(jì)過(guò)程，為人工生命系統(tǒng)的理性設(shè)計(jì)奠定了重要技術(shù)基礎(chǔ)。
　　啟動(dòng)子和操作子是轉(zhuǎn)錄調(diào)控的核心元件。啟動(dòng)子負(fù)責(zé)招募RNA聚合酶開(kāi)啟轉(zhuǎn)錄過(guò)程；操作子則通過(guò)招募轉(zhuǎn)錄因子控制啟動(dòng)子活性的上調(diào)或下調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)基因表達(dá)信息流的整合與調(diào)控�；虮磉_(dá)調(diào)控作用是細(xì)胞生長(zhǎng)、代謝和分化等重要生命活動(dòng)的基礎(chǔ)，因此設(shè)計(jì)滿足目標(biāo)功能的啟動(dòng)子-操作子轉(zhuǎn)錄調(diào)控系統(tǒng)，是構(gòu)建高性能基因網(wǎng)絡(luò)的重要基石。
　　在天然轉(zhuǎn)錄調(diào)控系統(tǒng)中，啟動(dòng)子與操作子之間存在著復(fù)雜的相互作用，難以進(jìn)行獨(dú)立的替換和調(diào)試。該課題組通過(guò)元件的定量化測(cè)試，獲得了具備模塊化潛力的兩類啟動(dòng)子，并通過(guò)鑒定出最小啟動(dòng)子功能序列區(qū)確定了啟動(dòng)子與操作子的序列邊界；另一方面，學(xué)習(xí)者鑒定并去除了操作子由內(nèi)部組合而產(chǎn)生的自發(fā)轉(zhuǎn)錄活性，從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了啟動(dòng)子和操作子的彼此絕緣化。隨后，學(xué)習(xí)者根據(jù)精確定量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提出了對(duì)上述基因調(diào)控元件進(jìn)行參數(shù)化的理論框架（圖1）。
　　以上述絕緣化的53個(gè)啟動(dòng)子和36個(gè)操作子為基本元件庫(kù)，學(xué)習(xí)者測(cè)試了所有1908個(gè)可能組合中的127個(gè)具有“非門”（NOT gate）功能的基因網(wǎng)絡(luò)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論預(yù)測(cè)的高度吻合（R2=0.95）顯示了使用絕緣化元件的啟動(dòng)子設(shè)計(jì)具有高度預(yù)測(cè)性（圖2）。為了進(jìn)一步展示絕緣化設(shè)計(jì)原則的普適性，學(xué)習(xí)者設(shè)計(jì)了復(fù)雜的非一致性前饋網(wǎng)絡(luò)（Incoherent Feed Forward Loop circuit， IFFL），并利用計(jì)算機(jī)窮舉了所有參數(shù)化的啟動(dòng)子和操作子元件，挑選性能最優(yōu)的IFFL網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果顯示最終獲得的基因網(wǎng)絡(luò)在性能上超出類似網(wǎng)絡(luò)10倍，同時(shí)所有的元件組合結(jié)果都可以被理論模型所預(yù)測(cè)。這些結(jié)果充分體現(xiàn)了絕緣化設(shè)計(jì)原則的實(shí)用性與普適性。該學(xué)習(xí)成果的推廣與應(yīng)用，將有力地推進(jìn)人工構(gòu)建生命系統(tǒng)的學(xué)習(xí)進(jìn)程，進(jìn)而滿足人們?cè)诮】�、醫(yī)療、環(huán)境、食品等領(lǐng)域的高層次需求。
　　中科院微生物所博士學(xué)習(xí)生宗夜晴和北京大學(xué)博士張浩千為共同第一作者；微生物所學(xué)習(xí)員婁春波和北京大學(xué)教授歐陽(yáng)頎為共同通訊作者；呂程、季翔宇、侯君然和郭铦等參與了相關(guān)理論模擬或?qū)嶒?yàn)測(cè)試工作。該項(xiàng)學(xué)習(xí)得到了國(guó)家基金委面上項(xiàng)目和科技部“973”等項(xiàng)目的資助。