[論文レビュー] Cell-cycle-synchronized, oscillatory expression of a negatively autoregulated gene in E. coli

Zach Hensel, Tatiana T. Marquez‐Lago|arXiv (Cornell University)|Jun 29, 2015

Gene Regulatory Network Analysis参考文献 42被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、協同性や迅速な分解、長時間遅延を欠くにもかかわらず、染色体に統合された負の自己調節型遺伝子回路（λ発現阻害タンパク質Croレプレッサーを用いたもの）が、E. coli において頑健で細胞周期に同期した振動を示すことを示した。この振動は、フィードバック駆動ダイナミクスと細胞周期依存的な遺伝子二重化が組み合わさった結果生じており、位相シフトは推定された遺伝子倍加時間と正確に相関していた。

ABSTRACT

Engineering genetic networks to be both predictable and robust is a key challenge in synthetic biology. Synthetic circuits must reliably function in dynamic, stochastic and heterogeneous environments, and simple circuits can be studied to refine complex gene-regulation models. Although robust behaviours such as genetic oscillators have been designed and implemented in prokaryotic and eukaryotic organisms, a priori genetic engineering of even simple networks remains difficult, and many aspects of cell and molecular biology critical to engineering robust networks are still inadequately characterized. Particularly, periodic processes such as gene doubling and cell division are rarely considered in gene regulatory models, which may become more important as synthetic biologists utilize new tools for chromosome integration. We studied a chromosome-integrated, negative-feedback circuit based upon the bacteriophage λ transcriptional repressor Cro and observed strong, feedback-dependent oscillations in single-cell time traces. This finding was surprising due to a lack of cooperativity, long delays or fast protein degradation. We further show that oscillations are synchronized to the cell cycle by gene duplication, with phase shifts predictably correlating with estimated gene doubling times. Furthermore, we characterized the influence of negative feedback on the magnitude and dynamics of noise in gene expression. Our results show that cell-cycle effects must be accounted for in accurate, predictive models for even simple gene circuits. Cell-cycle-periodic expression of λ Cro also suggests an explanation for cell-size dependence in lysis probability and an evolutionary basis for site-specific λ integration.

研究の動機と目的

• 生理的条件下における最小限の、負の自己調節型遺伝子回路がE. coli で頑健な振動を生成できるかどうかを調査すること。
• 特に遺伝子二重化を含む細胞周期ダイナミクスが、合成遺伝子回路における振動の同期化と形状に与える影響を検討すること。
• 負のフィードバックが単一細胞における遺伝子発現のノイズの大きさとダイナミクスに与える影響を定量化すること。
• 細胞周期に同期した発現が、λ発現のリソースタイミングと進化的制約に与える影響を評価すること。

提案手法

• E. coli 染色体に統合された、λ発現阻害タンパク質Croレプレッサーを転写阻害因子として用いた合成遺伝子回路を設計した。
• 時間分解能を有する蛍光顕微鏡を用いて、リアルタイムで単一細胞におけるCro遺伝子発現ダイナミクスをモニタリングした。
• 内在的ノイズとフィードバックダイナミクスを捉えるために、確率的微分方程式を用いてシステムをモデル化した。
• 細胞分裂および遺伝子二重化イベントの追跡を通じて、振動位相と細胞周期進行を関連付けた。
• プロモーター強度やレプレッサー分解速度といったパラメータを変化させ、システムの頑健性を評価した。
• 細胞周期タイミングに対する振動位相シフトを分析することで、遺伝子倍加ダイナミクスを推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 協同性や迅速な分解を欠く単純な非協同的で負の自己調節型遺伝子回路は、E. coli で持続的な振動を生成できるか？
• RQ2 特に遺伝子二重化を含む細胞周期の進行が、振動のタイミングと同期化にどのように影響するか？
• RQ3 負のフィードバックは、細胞周期全体にわたる遺伝子発現のノイズをどの程度低減するか？
• RQ4 なぜλ発現はE. coli 染色体にサイト特異的に統合されており、その発現の振動はこれとどのように関連しているか？

主な発見

• 協同性や迅速な分解が欠如しているにもかかわらず、負の自己調節型Cro回路は、単一細胞時間トレースにおいて強く、フィードバック依存的な振動を示した。
• 振動は細胞周期に同期しており、推定された遺伝子倍加時間と予測可能な相関関係を示す位相シフトを示した。
• システムは内在的ノイズに対して頑健であり、負のフィードバックが発現ばらつきを顕著に低減した。
• Croの細胞周期に周期的な発現は、λ発現のリソースタイミングが細胞サイズに依存する理由を機械的・解釈的根拠で説明できる。
• 本研究の結果は、サイト特異的λ統合の進化的根拠を示唆しており、細胞周期に同期した発現が最適化されている可能性がある。
• 本研究の結果は、合成遺伝子回路の正確で予測可能な設計を達成するには、細胞周期効果を明示的にモデル化する必要があることを示している。