[논문 리뷰] Cell-cycle-synchronized, oscillatory expression of a negatively autoregulated gene in E. coli

Zach Hensel, Tatiana T. Marquez‐Lago|arXiv (Cornell University)|2015. 06. 29.

Gene Regulatory Network Analysis참고 문헌 42인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 복합성, 빠른 분해 또는 장지연 없이도, E. coli에서 염색체에 통합된, 음성 피드백을 갖는 람다 프라제의 Cro 재결속 단백질 기반 유전자 회로가 강건한 세포주기 동기화 진동을 나타냄을 보여준다. 진동은 피드백 기반 역학과 세포주기 의존적 유전자 복제의 조합으로 발생하며, 위상 이동은 추정된 유전자 배율 시간과 정확히 상관된다.

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.

연구 동기 및 목표

• 생리적 조건 하에서 최소 크기의 음성 자가조절 유전자 회로가 E. coli에서 강건한 진동을 생성할 수 있는지 조사하기.
• 특히 유전자 복제를 포함한 세포주기 역학이 합성 유전자 회로에서 진동 행동의 동기화 및 형태에 미치는 영향을 검토하기.
• 음성 피드백이 세포주기 전반에 걸쳐 유전자 발현의 노이즈 크기와 역학에 미치는 영향을 정량화하기.
• 세포주기 동기화 발현이 람다 프라제 통합에서 리시스 타이밍과 진화적 제약에 미치는 영향을 평가하기.

제안 방법

• 람다 프라제의 Cro 재결속 단백질을 전사 억제제로 사용하여 E. coli 염색체에 통합된 합성 유전자 회로를 설계하였다.
• 실시간 단일세포 발현 역학을 모니터링하기 위해 시간에 따른 형광 현미경 영상을 사용하였다.
• 내재된 노이즈와 피드백 역학을 포착하기 위해 스토케스틱 미분 방정식을 사용하여 시스템을 모델링하였다.
• 세포 분열 및 유전자 복제 사건을 추적하여 진동 위상과 세포주기 진행 상황을 연관시켰다.
• 프로모터 강도와 재결속 단백질 분해 속도 등의 매개변수를 변화시켜 회로의 강건성을 평가하였다.
• 유전자 복제 동안의 위상 이동을 분석하여 유전자 배율 역학을 추론하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단순하고 비공동성, 음성 자가조절 유전자 회로가 E. coli에서 지속적인 진동을 생성할 수 있는가?
• RQ2 특히 유전자 복제를 포함한 세포주기 진행이 진동의 시기와 동기화에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 음성 피드백이 세포주기 전반에 걸쳐 유전자 발현의 노이즈에 얼마나 기여하는가?
• RQ4 왜 람다 프라제는 E. coli 염색체에 고유한 위치에 통합되며, 이와 관련된 진동 발현은 어떤 의미가 있는가?

주요 결과

• 공동성이나 빠른 분해 없이도, 음성 자가조절 Cro 회로는 단일세포 시간 추적에서 강력한 피드백 의존적 진동을 나타내었다.
• 진동은 세포주기와 동기화되어 있었으며, 위상 이동은 추정된 유전자 배율 시간과 예측 가능하게 상관되었다.
• 내재된 노이즈에 대해 높은 강건성을 보였고, 음성 피드백이 발현 변동성을 크게 감소시켰다.
• Cro의 세포주기 주기적 발현은 람다 프라제 리시스 확률의 세포 크기 의존성에 대한 기계적 설명을 제공한다.
• 발현의 진동이 세포주기 조절에 의해 최적화될 수 있음을 시사하며, 이는 사이트 특이적 람다 통합의 진화적 근거를 제공한다.
• 결과적으로 세포주기 효과는 합성 유전자 회로의 정확하고 예측 가능한 설계를 위해 명시적으로 모델링되어야 한다는 것을 입증한다.