7月3日,中国科学院微生物研究所娄春波课题组与合作者在《自然-通讯》(买球网站,Nature
Communications
)杂志在线发表了题为Insulated Transcriptional Elements
Enable Precise Design of Genetic Circuits

的研究论文。他们开发了一套普适于原核生物转录调控元件的绝缘化设计原则。该原则通过绝缘化处理消除了基因转录过程的核心元件——启动子和操作子之间的功能干涉效应,显著提高了它们的模块化属性和组装过程可预测性,从而首次在生物基因层面实现了计算机辅助设计和虚拟优化的全过程。该研究成果极大地简化了人工基因调控网路的设计过程,为人工生命系统的理性设计奠定了重要技术基础。

基因表达调控作用是细胞生长、代谢和分化等重要生命活动的基础。然而受制于技术的发展,生物基因工程领域的工作者长期以来都只能对基因进行敲入、敲除、敲低等简单操作而无法对相对复杂的基因表达调控进行设计。随着生物与数学、物理、化学等学科的交叉融合,基因工程研究者开始尝试在细胞内通过对基因表达调控过程进行理性的“编程”,所获得的基因表达控制程序称为基因调控线路。然而,如何精准、一步到位地设计基因调控线路,避免反复调试,是该领域的核心问题之一。

启动子和操作子是转录调控的核心元件。启动子负责招募RNA聚合酶开启转录过程;操作子则通过招募转录因子控制启动子活性的上调或下调,从而实现基因表达信息流的整合与调控。基因表达调控作用是细胞生长、代谢和分化等重要生命活动的基础,因此设计满足目标功能的启动子-操作子转录调控系统,是构建高性能基因网络的重要基石。

前沿交叉学科研究院欧阳颀课题组与合作者围绕该核心问题,开发了一套普适于细菌等原核生物的基因表达调控线路设计方法。研究者通过定量化测试转录调控元件,获得了具备模块化潜力的启动子,并通过鉴定得出启动子与操作子在功能水平的序列边界;另一方面,研究者鉴定并去除了操作子由内部组合而产生的自发转录活性,从而进一步实现了启动子和操作子的彼此绝缘化。此外,研究者还根据精确定量的实验结果,建立了对上述基因调控元件进行参数化的理论框架。这种绝缘化设计消除了基因转录过程的核心元件——启动子和操作子之间的功能干涉效应,可以显著提高元件的模块化属性和组装过程可预测性。

在天然转录调控系统中,启动子与操作子之间存在着复杂的相互作用,难以进行独立的替换和调试。该课题组通过元件的定量化测试,获得了具备模块化潜力的两类启动子,并通过鉴定出最小启动子功能序列区确定了启动子与操作子的序列边界;另一方面,研究者鉴定并去除了操作子由内部组合而产生的自发转录活性,从而进一步实现了启动子和操作子的彼此绝缘化。随后,研究者根据精确定量的实验结果,提出了对上述基因调控元件进行参数化的理论框架。

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以上述绝缘化的53个启动子和36个操作子为基本元件库,研究者测试了所有1908个可能组合中的127个具有“非门”功能的基因网络,实验结果和理论预测的高度吻合显示了使用绝缘化元件的启动子设计具有高度预测性。为了进一步展示绝缘化设计原则的普适性,研究者设计了复杂的非一致性前馈网络(Incoherent
Feed Forward Loop circuit,
IFFL),并利用计算机穷举了所有参数化的启动子和操作子元件,挑选性能最优的IFFL网络进行实验测试,结果显示最终获得的基因网络在性能上超出类似网络10倍,同时所有的元件组合结果都可以被理论模型所预测。这些结果充分体现了绝缘化设计原则的实用性与普适性。该研究成果的推广与应用,将有力地推进人工构建生命系统的研究进程,进而满足人们在健康、医疗、环境、食品等领域的高层次需求。

基于绝缘化策略的人工基因线路设计

中科院微生物所博士研究生宗夜晴和北京大学博士张浩千为共同第一作者;微生物所研究员娄春波和北京大学教授欧阳颀为共同通讯作者;吕程、季翔宇、侯君然和郭铦等参与了相关理论模拟或实验测试工作。该项研究得到了国家基金委面上项目和科技部“973”等项目的资助。

因此,研究者测试了以绝缘化启动子和绝缘化操作子为基本元件进行基因线路设计的精准度。127个编码了经典“非门”(NOT
gate)功能的简单线路的实验结果与理论预测高度吻合(R2=0.95),表明基于绝缘化策略的基因调控设计具有高度预测性。为了进一步展示该设计方法的普适性,研究者尝试设计非一致性前馈网络(Incoherent
Feed Forward Loop circuit,
IFFL)这类复杂基因线路,利用计算机穷举所有可能的启动子和操作子元件组合,随机挑选不同组合进行实验测试,结果显示所有被选网络的功能都可以被精准预测。

文章链接

该研究工作首次在基因层面实现了计算机辅助设计和虚拟优化全过程,极大地简化了人工基因调控网路的设计过程,为人工生命系统的理性设计奠定了重要技术基础。上述研究成果于7月3日以“Insulated
Transcriptional Elements Enable Precise Design of Genetic
Circuits
”为题在线发表于《自然通讯》。北京大学博士研究生张浩千和中国科学院微生物研究所博士研究生宗夜晴为共同第一作者;欧阳颀教授和中国科学院微生物研究所娄春波研究员为共同通讯作者;北京大学物理学院本科生吕程同学参与了相关理论模拟工作。该项研究得到了国家自然科学基金委面上项目和科技部“973计划”项目等的资助。

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图1.启动子和操作子绝缘化设计流程

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图2.利用绝缘化和参数化的元件实现遗传线路的可预测设计

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