合成生物催化剂工程,摘译自:https://www.nature.com/articles/s41467-020-19552-9

基因表达调控一直是合成生物学的研究主题,其中合成基因电路可以发挥作用重要作用。多功能基因调控工具是必要的用于实现靶基因表达的精确控制和增加规模和复杂性的合成基因电路的可预测的组件。为如转录启动子工程,翻译速率调节和翻译后蛋白质降解控制等。但上述工具设计较为繁琐,且不同工具间的功能具有局限性。

近日,发表在《Nature Communication》的“Synthetic protein-binding DNA sponge as a tool to tune gene expression and mitigate protein toxicity”一文中(通讯作者为英国爱丁堡大学与浙江大学王宝俊教授),作者利用核酸海绵机制成功开发了一类新的基因调控工具。核酸海绵指能够与内源基因竞争转录因子的一类DNA。其可诱导转录因子与其进行结合,从而调节内源基因表达量的多少。为了探究该系统在基因调控中的应用。作者首先设计了典型的响应电路:输入感应模块、信号处理模块及输出模块。在单一基因控制电路中,作者采用了常见的TetR转录抑制因子、LuxR转录激活因子Hg2+激活因子进行输入模块的控制。通过基因海绵原理在另一个中拷贝质粒中放入数量不等的上述控制元件的重复序列。以脱水四环素启动子诱导为例(Ptet2)结果发现,在以TetR抑制因子构建的核酸海绵(1-320)中,基因泄漏情况随着重复数量增加而明显下降。而使用Ptet2完整序列构建的核酸海绵(1-40)中,随着重复序列的增加,其表达量在不断下降,且与诱导物浓度呈现一定线性关系。在信号处理模块中,作者利用超灵敏细胞质外功能σ因子ECF11_987extracytoplasmic function sigma factor ECF11_987,ECFσ)构建了基因控制电路,其中ECFσ作为放大器放至在输入模块之后进行表达。通过将ECFσ诱导转录的启动子相关序列构建核酸海绵(1-40),结果发现随着重复序列的不断增加,可降低基因线路在无输入信号时的信号泄漏,同时增加系统的输出能力。更重要的是诱导物浓度增加对菌体本身的生长影响也随着核酸海绵的重复序列增加而不断下降。进一步,作者将上述电路进行复合,构建了以LuxRMerR构建的双输入模块以及TetR转录反向器、和ECFσ构建的信号处理模块。并构建了含有上述控制的复合核酸海绵质粒。与单一核酸海绵相比,复合核酸海绵的调节功能更加强大,提高了输出的诱导倍数且进一步降低了宿主的代谢负荷。诱导物对宿主本身的生长影响也明显下降。最后作者还探究了该系统的稳定性,结果发现该系统在连续传代100代中仍能稳定存在并表达,证明了其调控优势。

该系统对基因表达泄漏、诱导物浓度、输出能力、菌体本身生长都可进行控制,在未来可以作为一种新的手段在人工设计基因线路中进行应用。

(张子旭 摘译)


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