微生物所等在基因元件設計原則方面取得進展

7月3日，中國科學院微生物研究所婁春波課題組與合作者在《自然-通訊》（Nature Communications）雜誌在線發表了題為Insulated Transcriptional Elements Enable Precise Design of Genetic Circuits 的研究論文。他們開發了一套普適於原核生物轉錄調控元件的絕緣化設計原則。該原則通過絕緣化處理消除了基因轉錄過程的核心元件——啟動子（Promoter）和操作子（Operator）之間的功能干涉效應，顯著提高了它們的模塊化屬性和組裝過程可預測性，從而首次在生物基因層面實現了計算機輔助設計和虛擬優化的全過程。該研究成果極大地簡化了人工基因調控網路的設計過程，為人工生命系統的理性設計奠定了重要技術基礎。

啟動子和操作子是轉錄調控的核心元件。啟動子負責招募RNA聚合酶開啟轉錄過程；操作子則通過招募轉錄因子控制啟動子活性的上調或下調，從而實現基因表達信息流的整合與調控。基因表達調控作用是細胞生長、代謝和分化等重要生命活動的基礎，因此設計滿足目標功能的啟動子-操作子轉錄調控系統，是構建高性能基因網路的重要基石。

在天然轉錄調控系統中，啟動子與操作子之間存在著複雜的相互作用，難以進行獨立的替換和調試。該課題組通過元件的定量化測試，獲得了具備模塊化潛力的兩類啟動子，並通過鑒定出最小啟動子功能序列區確定了啟動子與操作子的序列邊界；另一方面，研究者鑒定並去除了操作子由內部組合而產生的自發轉錄活性，從而進一步實現了啟動子和操作子的彼此絕緣化。隨後，研究者根據精確定量的實驗結果，提出了對上述基因調控元件進行參數化的理論框架（圖1）。

以上述絕緣化的53個啟動子和36個操作子為基本元件庫，研究者測試了所有1908個可能組合中的127個具有「非門」（NOT gate）功能的基因網路，實驗結果和理論預測的高度吻合（R2=0.95）顯示了使用絕緣化元件的啟動子設計具有高度預測性（圖2）。為了進一步展示絕緣化設計原則的普適性，研究者設計了複雜的非一致性前饋網路（Incoherent Feed Forward Loop circuit, IFFL），並利用計算機窮舉了所有參數化的啟動子和操作子元件，挑選性能最優的IFFL網路進行實驗測試，結果顯示最終獲得的基因網路在性能上超出類似網路10倍，同時所有的元件組合結果都可以被理論模型所預測。這些結果充分體現了絕緣化設計原則的實用性與普適性。該研究成果的推廣與應用，將有力地推進人工構建生命系統的研究進程，進而滿足人們在健康、醫療、環境、食品等領域的高層次需求。

中科院微生物所博士研究生宗夜晴和北京大學博士張浩千為共同第一作者；微生物所研究員婁春波和北京大學教授歐陽頎為共同通訊作者；呂程、季翔宇、侯君然和郭銛等參與了相關理論模擬或實驗測試工作。該項研究得到了國家基金委面上項目和科技部「973」等項目的資助。

文章鏈接

圖1. 啟動子和操作子絕緣化設計流程

圖2. 利用絕緣化和參數化的元件實現遺傳線路的可預測設計

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