清華新聞網(wǎng)8月26日電 近日，清華大學(xué)自動(dòng)化系汪小我課題組基于“數(shù)基–碳基融合”的研究思路，揭示了microRNA的基因表達(dá)降噪機(jī)制，并將其應(yīng)用于合成基因回路設(shè)計(jì)，通過(guò)指導(dǎo)構(gòu)建人工基因細(xì)胞分類(lèi)器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)腫瘤細(xì)胞的精準(zhǔn)識(shí)別。
本世紀(jì)以來(lái)，合成生物學(xué)作為一門(mén)新興學(xué)科取得了蓬勃發(fā)展，在醫(yī)藥健康、代謝工程、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域展現(xiàn)出重大應(yīng)用潛力。合成生物學(xué)家從電子電路中獲得靈感，通過(guò)設(shè)計(jì)DNA等生物大分子，構(gòu)建能夠感知環(huán)境信號(hào)、并對(duì)其進(jìn)行計(jì)算和執(zhí)行的合成基因回路，將其導(dǎo)入到細(xì)胞之中發(fā)揮多樣功能。然而，各類(lèi)生化反應(yīng)過(guò)程中都內(nèi)蘊(yùn)著無(wú)法避免的隨機(jī)性，為基因表達(dá)過(guò)程引入噪聲，影響基因回路的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。因此，理解基因表達(dá)噪聲的調(diào)控模式以及噪聲對(duì)合成基因回路的影響，對(duì)設(shè)計(jì)出準(zhǔn)確、穩(wěn)定的合成基因回路具有重要意義。
microRNA作為一種在不同細(xì)胞中表達(dá)迥異的生物分子，經(jīng)常被應(yīng)用為指示細(xì)胞類(lèi)型與細(xì)胞狀態(tài)的標(biāo)記物，作為系統(tǒng)輸入在合成生物學(xué)中得到了廣泛應(yīng)用。microRNA被普遍認(rèn)為可在后轉(zhuǎn)錄層面抑制基因表達(dá)水平，進(jìn)而調(diào)控眾多生理病理過(guò)程；然而，大部分microRNA對(duì)其靶標(biāo)RNA的抑制能力都十分微弱，此類(lèi)microRNA–靶標(biāo)RNA相互作用關(guān)系的生物學(xué)功能尚未被完全揭示。有研究證實(shí)microRNA可以調(diào)控基因表達(dá)噪聲，但人們尚不清楚何種因素會(huì)影響其噪聲調(diào)控的模式，這種噪聲調(diào)控模式又會(huì)如何進(jìn)一步影響以microRNA為輸入的合成基因回路的性能。
“數(shù)基–碳基融合”的microRNA調(diào)控解析
在前期研究中，汪小我課題組提出了“數(shù)基–碳基融合”的研究思路，建立了競(jìng)爭(zhēng)性調(diào)控的一致化數(shù)學(xué)模型，結(jié)合數(shù)學(xué)模型和合成生物學(xué)實(shí)驗(yàn)共同揭示了內(nèi)源性競(jìng)爭(zhēng)性RNA對(duì)microRNA調(diào)控能力的定量影響。在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)基于一致化競(jìng)爭(zhēng)性調(diào)控模型，預(yù)測(cè)在基因表達(dá)水平類(lèi)似時(shí)，相互作用強(qiáng)度較弱的競(jìng)爭(zhēng)性RNA可以起到緩沖基因表達(dá)噪聲的作用。為驗(yàn)證這一猜想，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了能夠反映基因表達(dá)噪聲水平的合成基因回路并將其導(dǎo)入細(xì)胞，定量觀(guān)測(cè)擁有不同結(jié)合強(qiáng)度競(jìng)爭(zhēng)性RNA的microRNA的基因表達(dá)調(diào)控噪聲模式，證明了上述模型預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。此外，研究團(tuán)隊(duì)還利用類(lèi)似思路發(fā)現(xiàn)，不同microRNA靶點(diǎn)的數(shù)量和組合形式也會(huì)對(duì)基因表達(dá)噪聲造成明顯影響。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步將上述機(jī)制應(yīng)用于一個(gè)以microRNA為系統(tǒng)輸入的細(xì)胞分類(lèi)合成基因回路的設(shè)計(jì)優(yōu)化之中，通過(guò)改變microRNA的種類(lèi)及其靶點(diǎn)形式定向調(diào)控細(xì)胞分類(lèi)器中基因的表達(dá)噪聲，成功提升分類(lèi)器的分類(lèi)效果，實(shí)現(xiàn)了對(duì)腫瘤細(xì)胞系（HeLa）的精準(zhǔn)識(shí)別。
人工基因細(xì)胞分類(lèi)器的分類(lèi)效果
上述結(jié)果揭示了細(xì)胞內(nèi)相互作用強(qiáng)度較弱的microRNA–靶標(biāo)RNA關(guān)系在維持基因表達(dá)穩(wěn)定性方面的重要意義，同時(shí)證明了可以通過(guò)理性設(shè)計(jì)microRNA及其靶點(diǎn)控制基因表達(dá)噪聲，進(jìn)而提升合成基因回路的性能。這一工作表明在合成基因回路設(shè)計(jì)中必須充分考慮資源競(jìng)爭(zhēng)和基因表達(dá)噪聲導(dǎo)致的復(fù)雜現(xiàn)象，同時(shí)為合成基因回路設(shè)計(jì)提供了相應(yīng)的設(shè)計(jì)理論與計(jì)算分析工具。
相關(guān)成果以“刻畫(huà)microRNA介導(dǎo)的基因表達(dá)噪聲控制模式及其對(duì)合成基因回路的影響”（Characterizing microRNA-mediated modulation of gene expression noise and its effect on synthetic gene circuits）為題發(fā)表在Cell系列期刊《細(xì)胞報(bào)導(dǎo)》（Cell Reports）上。自動(dòng)化系汪小我教授為本文的通訊作者，自動(dòng)化系博士后魏磊、生命學(xué)院本科生李帥霖為本文的共同第一作者，自動(dòng)化系博士生張鵬程、胡濤和張奇?zhèn)ソ淌?、謝震教授為論文的共同作者。該研究受到了國(guó)家自然科學(xué)基金原創(chuàng)探索計(jì)劃項(xiàng)目與科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的資助。
論文鏈接：
https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(21)01007-X
供稿：自動(dòng)化系
編輯：李華山
審核：呂婷
