Схема регуляции генов
Генетические регуляторные цепи (также называемые схемами регуляции транскрипции ) — это концепция, которая развилась из модели оперона, открытой Франсуа Жакобом и Жаком Моно . [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] Они представляют собой функциональные кластеры генов , которые влияют на экспрессию друг друга посредством индуцируемых факторов транскрипции и цис-регуляторных элементов . [ 4 ] [ 5 ]
Генетические регуляторные схемы во многом аналогичны электронным схемам в том, как они используют входные и выходные сигналы для определения регуляции генов . [ 4 ] [ 5 ] Подобно электронным схемам, их организация определяет их эффективность, и это было продемонстрировано на схемах, работающих последовательно, чтобы иметь большую чувствительность регуляции генов. [ 4 ] [ 6 ] Они также используют входные данные, такие как регуляторы транс- и цис-последовательностей генов, и выходные данные, такие как уровень экспрессии генов . [ 4 ] [ 5 ] В зависимости от типа контура они постоянно реагируют на внешние сигналы, такие как уровень сахара и гормонов, которые определяют, как контур вернется к своей фиксированной точке или состоянию периодического равновесия. [ 7 ] Генетические регуляторные цепи также обладают способностью эволюционно перестраиваться без потери исходного уровня транскрипционной продукции. [ 8 ] [ 9 ] Эта перестройка определяется изменением взаимодействий регуляторных генов-мишеней, в то время как регуляторные факторы и гены-мишени все еще сохраняются. [ 8 ] [ 10 ]
Приложение In-silico
[ редактировать ]Эти схемы можно смоделировать in silico, чтобы предсказать динамику генетической системы. [ 8 ] [ 11 ] Построив вычислительную модель интересующей естественной схемы, можно использовать ее для получения проверяемых прогнозов о производительности схемы. [ 12 ] [ 13 ] При проектировании синтетической схемы для конкретной инженерной задачи модель полезна для определения необходимых соединений и режимов работы параметров, которые приводят к желаемому функциональному результату. Аналогично, при изучении естественной цепи можно использовать модель для определения частей или значений параметров, необходимых для желаемого биологического результата. [ 12 ] [ 14 ] Другими словами, компьютерное моделирование и экспериментальные синтетические возмущения можно использовать для исследования биологических цепей. [ 12 ] [ 14 ] Однако выяснилось, что структура цепей не является надежным индикатором функции, которую регуляторная схема обеспечивает для более крупной клеточной регуляторной сети. [ 7 ]
Инженерная и синтетическая биология
[ редактировать ]Понимание генетических регуляторных цепей является ключевым в области синтетической биологии , где разрозненные генетические элементы комбинируются для создания новых биологических функций . [ 1 ] [ 12 ] Эти биологические генные цепи можно использовать синтетически в качестве физических моделей для изучения регуляторной функции. [ 15 ] [ 16 ]
Создавая генетические регуляторные цепи, клетки можно модифицировать, чтобы они получали информацию из окружающей среды, например, о наличии питательных веществ и сигналах развития, и реагировали в соответствии с изменениями в окружающей среде. [ 17 ] [ 18 ] . [ 19 ] [ 20 ] В синтетической биологии растений генетические регуляторные схемы могут использоваться для программирования признаков для повышения эффективности сельскохозяйственных культур за счет повышения их устойчивости к стрессовым факторам окружающей среды. [ 18 ] [ 21 ] Кроме того, они используются для производства биофармацевтических препаратов для медицинского вмешательства. [ 18 ] [ 21 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б Таджбахш, Шахрагим; Кавалли, Джакомо; Рише, Эвелин (август 2011 г.). «Интегрированные схемы регуляции генов: празднование 50-летия модели оперона» . Молекулярная клетка . 43 (4): 505–514. doi : 10.1016/j.molcel.2011.08.003 . ISSN 1097-2765 . ПМИД 21855791 .
- ^ Келли, Дэниел П.; Скарпулла, Ричард К. (15 февраля 2004 г.). «Схемы регуляции транскрипции, контролирующие биогенез и функцию митохондрий» . Гены и развитие . 18 (4): 357–368. дои : 10.1101/gad.1177604 . ISSN 0890-9369 . ПМИД 15004004 .
- ^ Джейкоб, Франсуа; Моно, Жак (1 июня 1961). «Генетические регуляторные механизмы синтеза белков» . Журнал молекулярной биологии . 3 (3): 318–356. дои : 10.1016/S0022-2836(61)80072-7 . ISSN 0022-2836 . ПМИД 13718526 .
- ^ Перейти обратно: а б с д Ким, Гарольд Д.; Шей, Тал; О'Ши, Эрин К.; Регев, Авив (24 июля 2009 г.). «Схемы регулирования транскрипции: предсказание чисел по алфавиту» . Наука . 325 (5939): 429–432. Бибкод : 2009Sci...325..429K . дои : 10.1126/science.1171347 . ISSN 0036-8075 . ПМЦ 2745280 . ПМИД 19628860 .
- ^ Перейти обратно: а б с Бинту, Лакрамиоара; Бухлер, Николас Э; Гарсия, Эрнан Дж; Герланд, Ульрих; Хва, Теренс; Кондев, Жане; Кульман, Томас; Филлипс, Роб (1 апреля 2005 г.). «Регуляция транскрипции числами: приложения» . Текущее мнение в области генетики и развития . Хромосомы и механизмы экспрессии. 15 (2): 125–135. дои : 10.1016/j.где.2005.02.006 . ISSN 0959-437X . ПМЦ 3462814 . ПМИД 15797195 .
- ^ Хушанги, Сара; Тиберж, Стефан; Вайс, Рон (8 марта 2005 г.). «Сверхчувствительность и распространение шума в синтетическом транскрипционном каскаде» . Труды Национальной академии наук . 102 (10): 3581–3586. Бибкод : 2005PNAS..102.3581H . дои : 10.1073/pnas.0408507102 . ISSN 0027-8424 . ПМК 552778 . ПМИД 15738412 .
- ^ Перейти обратно: а б Пейн, Джошуа Л.; Вагнер, Андреас (20 августа 2015 г.). «Функция не подчиняется форме в регуляторных цепях генов» . Научные отчеты . 5 (1): 13015. Бибкод : 2015NatSR...513015P . дои : 10.1038/srep13015 . ISSN 2045-2322 . ПМЦ 4542331 . ПМИД 26290154 .
- ^ Перейти обратно: а б с Далал, Чирадж К.; Джонсон, Александр Д. (15 июля 2017 г.). «Как схемы транскрипции исследуют альтернативные архитектуры, сохраняя при этом общий выход схемы» . Гены и развитие . 31 (14): 1397–1405. дои : 10.1101/gad.303362.117 . ISSN 0890-9369 . ПМЦ 5588923 . ПМИД 28860157 .
- ^ Заяц, Эмили Э.; Петерсон, Брант К.; Айер, Венки Н.; Мейер, Рудольф; Эйзен, Майкл Б. (27 июня 2008 г.). «Энхансеры с пропущенным даже сепсидом функционально консервативны у дрозофилы, несмотря на отсутствие консервации последовательностей» . ПЛОС Генетика . 4 (6): e1000106. дои : 10.1371/journal.pgen.1000106 . ISSN 1553-7404 . ПМЦ 2430619 . ПМИД 18584029 .
- ^ Марченко Михаил; Левитин, Анастасия; Хогс, Эрве; Нантель, Андре; Уайтвей, Малькольм (июнь 2007 г.). «Транкрипционная перестройка схемы метаболизма галактозы грибов» . Современная биология . 17 (12): 1007–1013. дои : 10.1016/j.cub.2007.05.017 . ISSN 0960-9822 . ПМЦ 3842258 . ПМИД 17540568 .
- ^ Чилиберти, Стефано; Мартин, Оливье К.; Вагнер, Андреас (2 февраля 2007 г.). «Надежность может постепенно развиваться в сложных регуляторных генных сетях с различной топологией» . PLOS Вычислительная биология . 3 (2): е15. Бибкод : 2007PLSCB...3...15C . дои : 10.1371/journal.pcbi.0030015 . ISSN 1553-7358 . ПМЦ 1794322 . ПМИД 17274682 .
- ^ Перейти обратно: а б с д Портер, Джошуа Р.; Бэтчелор, Эрик (2015), Маркизио, Марио Андреа (редактор), «Использование компьютерного моделирования и экспериментальных синтетических возмущений для исследования биологических цепей», Вычислительные методы в синтетической биологии , Методы молекулярной биологии, том. 1244, Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Springer, стр. 259–276, doi : 10.1007/978-1-4939-1878-2_12 , ISBN. 978-1-4939-1878-2 , PMC 6311997 , PMID 25487101
- ^ Теттчер, Дж. Э.; Мок, К.; Бэтчелор, Э.; Лёвер, А.; Лахав, Г. (28 сентября 2010 г.). «Синтетико-природный гибридный генератор в клетках человека» . Труды Национальной академии наук . 107 (39): 17047–17052. Бибкод : 2010PNAS..10717047T . дои : 10.1073/pnas.1005615107 . ISSN 0027-8424 . ПМЦ 2947868 . ПМИД 20837528 .
- ^ Перейти обратно: а б Еловиц, Майкл Б.; Лейблер, Станислас (январь 2000 г.). «Синтетическая колебательная сеть регуляторов транскрипции» . Природа . 403 (6767): 335–338. Бибкод : 2000Natur.403..335E . дои : 10.1038/35002125 . ISSN 0028-0836 . ПМИД 10659856 . S2CID 41632754 .
- ^ Башор, Калеб Дж.; Коллинз, Джеймс Дж. (20 мая 2018 г.). «Понимание биологической регуляции посредством синтетической биологии» . Ежегодный обзор биофизики . 47 (1): 399–423. doi : 10.1146/annurev-biophys-070816-033903 . hdl : 1721.1/119222 . ISSN 1936-122Х . ПМИД 29547341 . S2CID 3888755 .
- ^ Джонс, Дэниел Л.; Брюстер, Роберт С.; Филлипс, Роб (19 декабря 2014 г.). «Архитектура промотора определяет межклеточную изменчивость экспрессии генов» . Наука . 346 (6216): 1533–1536. Бибкод : 2014Sci...346.1533J . дои : 10.1126/science.1255301 . ISSN 0036-8075 . ПМЦ 4388425 . ПМИД 25525251 .
- ^ Майерс, Крис (2018). Инженерные генетические схемы . Нью-Йорк: CRC Press. п. 39. ИСБН 9780429193057 .
- ^ Перейти обратно: а б с Кассо, Тессема К.; Донэйр-Торрес, Альберто Х.; Антунес, Маурисио С.; Мори, Кевин Дж.; Медфорд, Июнь И. (01 августа 2018 г.). «Разработка синтетических регуляторных схем в растениях» . Наука о растениях . Синтетическая биология встречается с метаболизмом растений. 273 : 13–22. doi : 10.1016/j.plantsci.2018.04.005 . ISSN 0168-9452 . ПМИД 29907304 . S2CID 49222385 .
- ^ Ёкобаяси, Ю.; Вайс, Р.; Арнольд, FH (24 декабря 2002 г.). «Направленная эволюция генетической цепи» . Труды Национальной академии наук . 99 (26): 16587–16591. дои : 10.1073/pnas.252535999 . ISSN 0027-8424 . ПМК 139187 . ПМИД 12451174 .
- ^ Спринзак, Дэвид; Еловиц, Майкл Б. (24 ноября 2005 г.). «Реконструкция генетических цепей» . Природа . 438 (7067): 443–448. Бибкод : 2005Natur.438..443S . дои : 10.1038/nature04335 . ISSN 0028-0836 . ПМИД 16306982 . S2CID 11916084 .
- ^ Перейти обратно: а б Жульве Парреньо, Хосе Мануэль; Уэт, Эстефания; Фернандес дель Хармен, Асун; Сегура, Альваро; Вентури, Миколь; Гандия, Энтони; Пан, Вэй-сун; Альбаладехо, Ирен; Формент, Хавьер; Пла, Давиния; Вигдоровиц, Андрес (март 2018 г.). «Подход синтетической биологии для последовательного производства рекомбинантных поликлональных антител растительного происхождения против токсинов змеиного яда» . Журнал биотехнологии растений . 16 (3): 727–736. дои : 10.1111/pbi.12823 . ПМЦ 5814581 . ПМИД 28850773 .