利用双顺反子设计以及前导肽结构 实现可靠基因表达$ e, I. L6 U6 i
2013-04-26 00:49:05 来源：生物360 作者：koo: E6 n1 R% a! b6 o" K
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近日，美国国际高级生物技术开放实验室（International Open Facility Advancing Biotechnology, BIOFAB）的研究人员利用双顺反子设计以及前导肽结构，实现了与背景无关的可靠基因表达，从而有助于在合成生物学中可靠预测遗传元件新组合的行为。相关研究论文发表在近期出版的《自然-方法》（Nature Methods）杂志网络版上。 ; B2 P/ O4 f$ q近年来，合成生物学正在如火如荼地发展。合成生物学的一个主要目标是让生物的改造变得更容易。就像人们通过各种零件组装出电脑一样，合成生物学家希望可以将核心的生物元件（如酶、基因回路、代谢途径等）进行标准化，并通过将这些标准化的“生物零件”一步步的整合，构造出具有特定功能的系统，乃至于合成出全新的生物个体。8 Z( C3 u# a. s0 G, p6 T8 A' M
如今DNA的合成和组装已经取得重大进展，可合成并移植整个代谢途径、染色体和基因组。然而，合理设计日益复杂的遗传系统的能力却没有跟上。在遗传设计中，最主要的障碍之一是缺乏标准化元件，能够可靠地重复使用。许多例子表明，即使是研究透彻的生物（如大肠杆菌），看似简单的遗传功能在不同的背景下也有不同的表现。例如，启动一个编码序列翻译的原核核糖体结合位点（RBS）也许对另一个编码序列根本不起作用。0 k" e. ^6 g7 c4 B
从理论上说，标准的生物学元件可实现生物功能的分层抽象化。整个遗传系统的行为可通过单个元件的简单模型来表示，并最终定位到相关的基因序列，其编码的功能依赖于有限量的内在变量。这种功能的抽象化似乎是管理生物复杂性所必需的，实现了日益复杂的遗传系统的改造。% j- K" S- f5 ^" ]
BIOFAB的研究人员改造了约500个转录和翻译起始元件，它们在标准化的遗传背景下兼容，在很宽的动态范围内实现了可预测的基因表达的正向改造。研究人员通过检测1,200多种组合，建立并验证了功能组合规则，同时定量了部分活性的分值，从而鉴定出每种类型最具代表性的元件。根据这些数据，他们也预计了每个元件的“质量”，即二阶的统计数据，代表了元件的活性如何随背景的变化而变化。 , j4 X5 P) J1 N: n W% f) {9 D- M研究结果表明，结合标准化的转录控制元件，对翻译起始控制的更复杂设计可创建出简单模块化的元件，从而实现了基因表达的正向改造。: X8 c1 ?3 A, o; X& @0 @
了解更多：$ n1 f# Q) ?8 c
Precise and reliable gene expression via standard transcription and translation initiation elements3 B; u F7 s- |8 U3 j0 o
Nature Methods, 10 March 2013 | doi:10.1038/nmeth.2404 8 Z- w& S3 u3 p ?& A0 PAn inability to reliably predict quantitative behaviors for novel combinations of genetic elements limits the rational engineering of biological systems. We developed an expression cassette architecture for genetic elements controlling transcription and translation initiation in Escherichia coli: transcription elements encode a common mRNA start, and translation elements use an overlapping genetic motif found in many natural systems. We engineered libraries of constitutive and repressor-regulated promoters along with translation initiation elements following these definitions. We measured activity distributions for each library and selected elements that collectively resulted in expression across a 1,000-fold observed dynamic range. We studied all combinations of curated elements, demonstrating that arbitrary genes are reliably expressed to within twofold relative target expression windows with ~93% reliability. We expect the genetic element definitions validated here can be collectively expanded to create collections of public-domain standard biological parts that support reliable forward engineering of gene expression at genome scales.+ p. ^* f2 m4 Y+ R3 f8 S, n' _* ] h
• 期刊NATURE METHODS / C6 w7 e$ N. ], I: u1 B• 研究机构STANFORD UNIVERSITYINTERNATIONAL OPEN FACILITY ADVANCING BIOTECHNOLOGY; q6 f Z% S. \, E4 J7 `; |2 s
• 标签双顺反子前导肽结构基因表达 6 {* z7 g/ U4 U& t* d