[论文解读] 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 10

一句话总结

本文提出了一种基于随机行走的随机性体外翻译模型，能够捕捉核糖体拥堵以及密码子使用对合成基因回路基因表达负担的影响。通过将核糖体沿mRNA的移动建模为具有密码子特异性延伸速率的受限随机游走，本研究表明，即使输出相同，不同RBS强度和转录本拷贝数的回路也会对宿主细胞造成截然不同的负担，揭示了宿主-回路之间非直观的相互作用。

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.

研究动机与目标

• 开发一种机制性的体外翻译模型，以捕捉核糖体竞争和密码子使用对基因表达负担的影响。
• 研究资源竞争（尤其是翻译水平上的竞争）如何影响宿主细胞中合成回路的性能。
• 探索具有相同输出的回路是否可能对底盘细胞造成不同水平的负担，从而实现负担感知的回路设计。
• 提供一个定量框架，用于预测在不同RBS强度、转录本拷贝数和密码子使用情况下的回路行为。

提出的方法

• 将核糖体沿mRNA的移动建模为离散时间随机游走，每个密码子具有固定的延伸速率，并结合密码子特异的翻译速度。
• 引入约束条件，如核糖体排斥（同一密码子上不能有两个核糖体）、RBS处的可逆核糖体结合以及单向延伸。
• 使用随机游走模型的确定性稳态近似，推导出描述核糖体分布和蛋白质输出的方程组。
• 使用文献中获得的参数估计值验证模型，并通过使用合理数值的模拟确认其生物合理性。
• 使用自定义的Python模拟框架，模拟在不同RBS强度、转录本拷贝数和密码子使用特征下的回路行为。
• 比较回路输出（蛋白质产量）并监控输出（核糖体使用情况），以量化不同回路设计之间的负担差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 密码子使用如何影响合成基因回路中的核糖体拥堵和整体蛋白质生产效率？
• RQ2 在缺乏反馈机制的情况下，RBS强度在多大程度上影响回路输出和核糖体资源使用（即负担）？
• RQ3 两个具有相同蛋白质输出的回路是否可能对宿主细胞造成不同水平的负担？如果是，其设计条件是什么？
• RQ4 转录本拷贝数和启动子强度如何相互作用，以影响回路输出和资源消耗？

主要发现

• RBS强度高但转录本拷贝数低的回路与RBS强度低但转录本拷贝数高的回路产生了相同的蛋白质输出，但前者对宿主细胞造成了显著更高的负担（监控输出）。
• 提高RBS强度导致回路输出呈饱和增长，而监控输出减少，表明资源效率存在递减回报。
• 在编码序列中引入慢速密码子会降低回路输出和监控输出，证实了密码子优化可降低负担。
• 模型预测，随着转录本拷贝数的增加，回路输出和监控输出均趋于渐近线，表明更高表达的益处存在极限。
• 该模型未能捕捉到实验中观察到的在极高RBS强度下回路输出下降的现象，表明未来工作需要引入细胞反馈机制。
• 该模型成功表明，负担（定义为核糖体使用）可与输出解耦，从而实现既能高效运行又对宿主细胞成本较低的回路设计。