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细胞内资源竞争影响基因线路的性能

生物极客 · 公众号 · 生物 · 2017-05-24 14:09

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细胞内资源竞争影响基因线路的性能

在上一篇文章中介绍了关于细菌菌落之间的竞争有限资源时采取的策略，今天我们来学习一下细胞内部资源（如ribosomes,RNAPs等）的竞争对设计的基因线路性能的影响。

模块化是设计基因线路采取的常用方法。但是基因线路中每个基因的表达都取决于转录、翻译资源，资源的限制又影响了线路中其他基因的表达情况，故进一步影响模块化基因线路的响应的可预测性。那么资源的竞争是如何影响基因线路的行为？来自 Domitilla Del Vecchio 研究组的研究人员在大肠杆菌中构建了一系列转录激活级联基因线路，并通过调整每个基因的 RBS强度和DNA拷贝数来调整资源需求，并建立数学模型阐明资源竞争如何影响基因线路的响应 ¹ 。

如上图所示，研究人员分别构建测试了第一级和第二级的转录激活线路，但是当它们级联在一起时，得到的两级激活的基因线路（C），其实验结果却出乎我们的预料，GFP的表达不加没有随着AHL浓度的增加而增强，反而是先略微增强而后减弱。接着，研究人员改进了模型，将细胞内用于转录和翻译的资源竞争引入模型，如下图所示。

经过计算，研究人员发现在简单的级联线路中，由于ribosomes和RNAP导致的资源竞争引起了其他的调控作用。如下图A，节点X1可能会抑制X3，节点X2也可能存在自抑制作用。该线路会随着DNA 拷贝数多少和节点X2 RBS 强度的变化具有不同的响应曲线。

在此模型的基础上，研究人员构建了不同的基因线路，改变了节点X2 RBS的强度，以及调整了整个基因线路的拷贝数，发现实验结果与模型预测一致。（CAS 1/30，1指的是RBS 相对强度，30指的是 cascade拷贝数多少）

最后研究人员还通过模型刻画了其他调控线路由竞争效应所引起的调控关系。

总的来说，该研究结果表明了基因线路的资源竞争是如何引发无意的行为，并依据模型指导的方法来最小化这种资源竞争所产生的影响，恢复基因线路的预期功能。

参考文献：

1. Qian Y, Huang H H, Jiménez J, et al. Resource Competition Shapes the Response of Genetic Circuits[J]. bioRxiv, 2016: 091306.