[논문 리뷰] 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 Ellis외 1명|arXiv (Cornell University)|2013. 09. 30.

Gene Regulatory Network Analysis참고 문헌 14인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 리보솜의 교통정체와 합성 유전자 회로에서의 코돈 사용이 유전자 발현 부담에 미치는 영향을 포착하는 확률적, 랜덤 워크 기반의 in silico 모델을 제안한다. mRNA를 따라 리보솜의 이동을 코돈별 연장 속도를 고려한 제약 조건이 있는 랜덤 워크로 모델링함으로써, 동일한 출력을 내는 회로가 RBS 강도와 전사 복제 수에 따라 호스트 세포에 상당히 다른 부담을 가질 수 있음을 입증하였다. 이는 비직관적인 호스트-회로 상호작용을 드러낸다.

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.

연구 동기 및 목표

• 리보솜 경쟁과 코돈 사용이 유전자 발현 부담에 미치는 영향를 포착하는 기계적 in silico 번역 모델을 개발하는 것.
• 특히 번역 수준에서 자원 경쟁이 호스트 세포 내 합성 회로 성능에 미치는 영향를 조사하는 것.
• 동일한 출력을 내는 회로가 차체 세포에 다른 수준의 부담을 가질 수 있는지 탐색하여, 부담 인식 설계를 가능하게 하는 것.
• RBS 강도, 전사 복제 수, 코돈 사용에 따라 회로 행동을 예측할 수 있는 정량적 프레임워크를 제공하는 것.

제안 방법

• 코돈별 고정된 연장 속도를 고려한 이산 시간 랜덤 워크로 mRNA를 따라 리보솜 이동을 모델링하며, 코돈별 번역 속도를 통합한다.
• 리보솜 배제(동일한 코돈에 두 개 이상의 리보솜 불가), RBS에서의 가역적 리보솜 결합, 단방향 연장과 같은 제약 조건을 구현한다.
• 랜덤 워크 모델의 결정론적 정 steady-state 근사치를 사용하여 리보솜 분포와 단백질 출력을 기술하는 방정식 시스템을 유도한다.
• 문헌에서 유도된 파rameter 추정치를 사용하여 모델을 검증하고, 현실적인 값으로 시뮬레이션을 통해 생물학적 타당성을 확인한다.
• 고유의 파이썬 시뮬레이션 프레임워크를 사용하여 RBS 강도, 전사 복제 수, 코돈 사용 프로파일에 따라 변하는 조건에서 회로 행동을 시뮬레이션한다.
• 회로 출력(단백질 생산)과 모니터링 출력(리보솜 사용)을 비교하여 설계 간의 부담 차이를 정량화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 코돈 사용은 합성 유전자 회로에서 리보솜의 교통정체와 전체 단백질 생산 효율성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 피드백 메커니즘이 없는 조건에서 RBS 강도는 회로 출력과 리보솜 자원 사용(즉, 부담)에 얼마나 영향을 미치는가?
• RQ3 동일한 단백질 출력을 내는 두 회로가 호스트 세포에 서로 다른 수준의 부담을 가질 수 있는가? 만약 그렇다면, 어떤 설계 조건에서 그러한 현상이 발생하는가?
• RQ4 전사 복제 수와 프로모터 강도는 어떻게 상호작용하여 회로 출력과 자원 소비에 영향을 미치는가?

주요 결과

• 높은 RBS 강도와 낮은 전사 복제 수를 가진 회로는 낮은 RBS 강도와 높은 전사 복제 수를 가진 회로와 동일한 단백질 출력을 내었지만, 호스트 세포에 훨씬 더 큰 부담(모니터링 출력)을 가했다.
• RBS 강도를 증가시킬수록 회로 출력은 포화 상태에 도달하고 모니터링 출력은 감소하여 자원 효율성에서 점차 감소하는 결과를 보였다.
• 코드서열에 느린 코돈을 통합함으로써 회로 출력과 모니터링 출력이 모두 감소하였으며, 이는 코돈 최적화가 부담을 감소시킴을 확인한 것이다.
• 모델은 전사 복제 수가 증가함에 따라 회로 출력과 모니터링 출력이 점 渐진적으로 점점 점근선에 수렴하는 것으로 예측하였다. 이는 높은 발현 수준에서의 이득에 한계가 있음을 시사한다.
• 모델은 매우 높은 RBS 강도에서 실험적으로 관찰된 회로 출력 감소를 포착하지 못하였으며, 향후 연구에서는 세포 내 피드백 메커니즘을 통합할 필요가 있음을 시사한다.
• 모델은 부담(리보솜 사용)을 출력과 분리시킬 수 있음을 성공적으로 입증하였으며, 이는 호스트 세포에 대해 고성능이면서 저비용인 회로 설계를 가능하게 한다.