[論文レビュー] Modelling the burden caused by gene expression: an in silico investigation into the interactions between synthetic gene circuits and their chassis cell

Rhys Algar, Tom Ellis+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 30, 2013

Gene Regulatory Network Analysis参考文献 14被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、リボソームのトラフィックジャムと合成遺伝子回路におけるコドン使用の影響を捉えた、確率的でランダムウォークに基づくインシリコモデルを提案する。リボソームのmRNA上をの移動を、コドン別に異なる伸長速度を持つ制約付きランダムウォークとしてモデル化することで、同じ出力を達成する回路でも、RBS強度やトランスクリプトコピー数に応じてホスト細胞にかかる負荷が著しく異なることが示された。これは、非直感的なホスト-回路相互作用を明らかにした。

ABSTRACT

In this paper we motivate and develop a model of gene expression for the purpose of studying the interaction between synthetic gene circuits and the chassis cell within which they are in- serted. This model focuses on the translational aspect of gene expression as this is where the literature suggests the crucial interaction between gene expression and shared resources lies.

研究の動機と目的

• リボソームの競合とコドン使用の影響を捉えた、翻訳のメカニズム的インシリコモデルの構築。
• リソース競合、特に翻訳レベルでの競合がホスト細胞における合成回路の性能に与える影響の解明。
• 同じ出力を達成する回路が、ホスト細胞に異なる負荷をかけるかどうかを検討し、負荷に配慮した回路設計の可能性を探索。
• RBS強度、トランスクリプトコピー数、コドン使用に応じた回路挙動を予測する定量的フレームワークの提供。

提案手法

• mRNA上でのリボソーム移動を、コドンごとの固定された伸長速度を持つ離散時間ランダムウォークとしてモデル化し、コドン別翻訳速度を組み込む。
• リボソームの排他（同じコドンに2つ以上のリボソームが存在不可）、RBSにおける可逆的リボソーム結合、一方向の伸長といった制約を実装。
• ランダムウォークモデルの決定論的定常状態近似を用いて、リボソーム分布とタンパク質出力を記述する方程式系を導出。
• 文献からのパrameter推定値を用いてモデルを検証し、現実的な値を用いたシミュレーションにより生物学的妥当性を確認。
• 独自のPythonシミュレーションフレームワークを用いて、RBS強度、トランスクリプトコピー数、コドン使用プロファイルの変化に伴う回路挙動をシミュレート。
• 回路出力（タンパク質産生）とモニタリング出力（リボソーム使用）を比較し、回路設計ごとの負荷差を定量的に評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コドン使用は、合成遺伝子回路におけるリボソームのトラフィックジャムと全体のタンパク質産生効率にどのように影響するか？
• RQ2 フィードバック機構が存在しない状況で、RBS強度は回路出力およびリボソームリソース使用（すなわち負荷）にどの程度影響を及えるか？
• RQ3 同じタンパク質出力を達成する2つの回路が、ホスト細胞に異なるレベルの負荷をかけることは可能か？ もし可能であれば、どのような設計条件下で生じるか？
• RQ4 トランスクリプトコピー数とプロモーター強度は、回路出力およびリソース消費にどのように相互作用するか？

主な発見

• 高RBS強度・低トランスクリプトコピー数の回路と、低RBS強度・高トランスクリプトコピー数の回路は、同じタンパク質出力を達成したが、ホスト細胞にははるかに高い負荷（モニタリング出力）を及ぼした。
• RBS強度の増加に伴い、回路出力は飽和的増加を示し、モニタリング出力は減少した。これは、リソース効率に限界があることを示唆している。
• コード領域に遅いコドンを組み込むことで、回路出力とモニタリング出力の両方が低下した。これは、コドン最適化が負荷を低減することを確認した。
• モデルは、トランスクリプトコピー数が増加するに従い、回路出力とモニタリング出力が漸近的に近づく傾向を予測した。これは、より高い発現がもたらす利益の限界を示している。
• 実験的に観察された、非常に高いRBS強度で回路出力が低下する現象は、モデルでは再現できなかった。今後、細胞内フィードバック機構を組み込む必要がある。
• 本モデルは、負荷（リボソーム使用）を出力から分離可能であることを明確に示した。これにより、ホスト細胞に対して高パフォーマンスかつ低コストな回路設計が可能になる。