Repressilator - Repressilator

The repressilator a genetik tartibga solish tarmog'i kamida bittadan iborat teskari aloqa davri kamida uchta gen bilan, ularning har biri tsikldagi keyingi genni siqib chiqaradigan oqsilni ifodalaydi.[1] Biologik tadqiqotlarda repressilatorlar uyali modellarni yaratish va hujayra funktsiyasini tushunish uchun ishlatilgan. Ham sun'iy, ham tabiiy ravishda mavjud repressilatorlar mavjud. Yaqinda tabiiy ravishda paydo bo'lgan repressilator soat genlari davri Arabidopsis talianasi (A. taliana) va sutemizuvchilar tizimlari o'rganilgan.

Sun'iy repressiyalar

Sun'iy repressilatorlar dastlab tomonidan ishlab chiqilgan Maykl Elowits va Stanislas Leybler 2000 yilda,[2] hujayra tarkibiy qismlari va funktsiyalarining oddiy tizimlarini o'rganadigan boshqa tadqiqot loyihalarini to'ldirish. Hujayraning funktsiyasini ta'minlaydigan dizayni va uyali mexanizmlarni tushunish va modellashtirish uchun Elowits va Leybler uchta uchburchakdan iborat sun'iy tarmoq yaratdilar. transkripsiyali repressorlar. Ushbu tarmoq noldan boshlab, belgilangan vaqt oralig'idagi elektr osilator tizimi kabi ishlaydigan barqaror tebranishni namoyish etish uchun ishlab chiqilgan. Tarmoq amalga oshirildi Escherichia coli (E. coli) rekombinant DNK o'tkazilishi orqali. Keyinchalik, ishlab chiqarilgan koloniyalar haqiqatan ham kerakli tebranish harakatlarini namoyish etganligi tekshirildi.

Repressilator a ga bog'langan uchta gendan iborat teskari aloqa davri, shunday qilib har bir gen tsikldagi keyingi genni siqib chiqaradi va oldingi gen tomonidan repressiya qilinadi. Ichiga sintetik qo'shimchada E. Coli, yashil lyuminestsent oqsil (GFP) muxbir sifatida ishlatilgan, shunda tarmoq xatti-harakati yordamida kuzatilishi mumkin edi lyuminestsentsiya mikroskopi.

Repressilator genetik regulyator tarmog'i, unda gen tomonidan tarjima qilingan har bir oqsil tsikldagi keyingisini bosadi.

Repressilatorning dizayni biologik va elektron printsiplarga asoslanadi diskret va stoxastik tahlil modellari. Olti differentsial tenglamalar repressilator tizimining kinetikasini oqsil asosida va mRNA konsentrasiyalar, shuningdek tegishli parametr va Tepalik koeffitsienti qiymatlar. Tadqiqotda Elowits va Leybler ishlab chiqarishdi raqamlar integratsiya va odatdagi parametr qiymatlaridan foydalangan holda repressor oqsillarining tebranishlarini va shu kabi parametrlardan foydalangan holda repressilator modelining stoxastik versiyasini namoyish etish. Ushbu modellar barqaror tebranish keltiradigan har xil stavkalarning qiymatlarini aniqlash uchun tahlil qilindi. Ushbu tebranishlar ma'qul bo'lganligi aniqlandi targ'ibotchilar samarali bilan birlashtirilgan ribosomalarni bog'lash joylari, kooperativ transkripsiyali repressorlar va taqqoslanadigan protein va mRNA parchalanish darajasi.

Ushbu tahlil genlar tarkibiga kiritilgan ikkita dizayn xususiyatiga turtki berdi. Birinchidan, promouterlar mintaqalari birlashtirgan yanada samarali gibrid promouter bilan almashtirildi E. coli faj lambda PL (λ PL) promouteri lak repressor (Lakl) va Tet repressor (TetR) operatorlar ketma-ketligi. Ikkinchidan, repressor oqsillari va mRNKlarning umr ko'rish davri o'rtasidagi farqni kamaytirish uchun, a karboksi terminal yorlig'i ssrA-RNK ketma-ketligi asosida har bir repressor genining 3 'uchiga qo'shilgan. Ushbu yorliq parchalanish uchun oqsilni maqsad qilgan proteazlar tomonidan tan olinadi. Dizayn kam nusxada ishlatilgan plazmid madaniyatini o'zgartirish uchun foydalanilgan repressilator va yuqori nusxadagi muxbirni kodlash E. coli.

Tabiiy ravishda uchraydigan repressilatorlar

O'simliklar

O'simliklardagi sirkadiyalik sxemalarda repressilator deb nomlangan transkripsiyaviy tartibga soluvchi teskari aloqa davri mavjud. In yadro osilatorining tsikli (kul rangda ko'rsatilgan) yilda A. taliana, yorug'lik avval ikkitadan seziladi kriptoxromlar va beshta fitoxromlar. Ikki transkripsiya omili, Circadian Clock Associated 1 (CCA1) va Kechiktirilgan gipokotil (LHY), shunga o'xshash kechki ekspression bilan bog'liq genlarni repressiya qilish CAB ekspresiyasining vaqti 1 (TOC1) va ularning promouterlari bilan bog'lanib, ertalab ekspression bilan bog'liq genlarni faollashtiring. TOC1, kechki gen, ijobiy tartibga soladi CCA1 va LHY noma'lum mexanizm orqali.[3] Kechki bosqichli transkripsiya faktori CCA1 Yurish Ekspeditsiyasi (CHE) va giston demetilaza jumonji C domenini o'z ichiga olgan 5 (JMJD5) to'g'ridan-to'g'ri repressiya qiladi CCA1. Boshqa tarkibiy qismlar kun davomida ifoda etilganligi va to'g'ridan-to'g'ri yoki bilvosita sirkadiyadagi elektron elementni inhibe qilishi yoki faollashtirishi va shu bilan teskari aloqa davrlarining murakkab, mustahkam va moslashuvchan tarmog'ini yaratishi aniqlandi.[3]

Tong-faza ifodasi

Ertalabki ekspression tsikli kun davomida ritmlarni tartibga soluvchi genlar va oqsillarni nazarda tutadi A. taliana. Ikkita asosiy gen - LHY va CCA1 transkripsiyasi omillarini kodlovchi LHY va CCA1.[4] Ushbu oqsillar hosil bo'ladi heterodimerlar yadroga kirib, bilan bog'langan TOC1 TOC1 oqsilini ishlab chiqarishni bostiruvchi genlar promouteri. TOC1 oqsili ifoda etilganda, uni tartibga solish uchun xizmat qiladi LHY va CCA1 ularning transkripsiyasini inhibe qilish orqali. Keyinchalik 2012 yilda doktor Aleksandra Poxilo tomonidan qo'llab-quvvatlandi, u TOC1 ning bu rolni inhibitori sifatida xizmat qilganligini ko'rsatish uchun hisoblash tahlillaridan foydalandi. LHY va CCA1 ifoda.[5] Ertalabki tsikl inhibe qilishga xizmat qiladi gipokotil cho'zish, gipokotilning cho'zilishini ta'minlaydigan kechki fazali tsikldan farqli o'laroq. Kechki fazali ekspresiya genlari mutatsiyaga uchraganida, ertalabki fazali tsirkadiyalik tebranishni qo'llab-quvvatlashga qodir emasligini ko'rsatdi[5] bu tabiiy ravishda paydo bo'lgan repressilatorda har bir komponentning o'zaro bog'liqligini taklif qilish.

Kechki bosqichda ifodalash

Erta gullash 3 (ELF3), 4. erta gullash (ELF4) va Fitoklok1 (LUX) kechqurun fazali soat genining ekspresiyasining asosiy elementlari A. taliana. Ular kechki kompleksni tashkil qiladi, unda LUX targ'ibotchilari bilan bog'lanadi Fitoxrom bilan o'zaro ta'sir qiluvchi omil 4 (PIF4) va Fitoxrom bilan o'zaro ta'sir qiluvchi omil 5 (PIF5) va ularni inhibe qiladi.[3] Natijada, erta kechqurun gipokotil uzayishi repressiya qilinadi. Kechga yaqin tormozlanishni yumshatganda, gipokotil uzayadi. Fotoperiod gullash chiqish geni tomonidan boshqariladi Gigantea (GI). GI tunda faollashadi va ifodasini faollashtiradi Konstans (CO) ifodasini faollashtiradigan Gullash joyi T (FT). FT keyin uzoq kunlarda gullashni keltirib chiqaradi.[3]

Sutemizuvchilar

Sutemizuvchi hayvonlar fiziologiyani ham, xulq-atvorni ham 24 soatlik davrda muvofiqlashtirish uchun endogen vaqt mexanizmini rivojlantirdilar.[6] 2016 yilda tadqiqotchilar ushbu mexanizm ichida repressilator deb aniqlagan uchta keyingi inhibisyonlar ketma-ketligini aniqladilar, bu endi bu sirkadiyalik tarmoqning asosiy asosiy elementi bo'lib xizmat qiladi. Ushbu tizimning zarurati qator genlarni nokaut qilish orqali aniqlandi kriptoxrom (Yig'la), davr (Per) va Rev-erb -- nokautlari aritmiklikka olib keladigan sutemizuvchilarning asosiy soat genlari.[6] Ushbu tadqiqotchilar yaratgan model o'z ichiga oladi Bmal1 E-box vositachili transkripsiyasining haydovchisi sifatida, Per2 va Yig'lamoq1 erta va kech kabi Elektron quti repressorlar, shuningdek, D-quti regulyatori Dbp va yadro retseptorlari Rev-erb-a. Tomonidan ketma-ket inhibisyonlar Rev-erb, Per va Yig'lamoq1 barqaror tebranishlarni hosil qilishi mumkin va shu kabi amplituda va davrlarda davom etgan repressilator tebranishlaridan tashqari barcha boshqa komponentlarni qisib.[6] Barcha tebranuvchi tarmoqlar tadqiqotchilar tomonidan chiqarilgan turli xil sxemalarda ko'rsatilgandek, ushbu uchta yadro genlarining har qanday kombinatsiyasini o'z ichiga olganga o'xshaydi.

So'nggi ish

Repressilator modeli boshqa biologik yo'llar va tizimlarni modellashtirish va o'rganish uchun ishlatilgan. O'shandan beri repressilatorning modellashtirish imkoniyatlari bo'yicha keng ko'lamli ishlar amalga oshirildi. 2003 yilda repressilatorning namoyishi va biologik modellarning validatoni, ko'p o'zgaruvchiga ega model bo'lib, Simpatika tizimi yordamida amalga oshirildi, bu model haqiqatan ham uning barcha murakkabliklari bilan tebranishini tasdiqladi.

Elowitz va Leyblerning asl asarida ta'kidlanganidek, repressilator tadqiqotining asosiy maqsadi tabiiy, ichki hamkasbini aks ettiruvchi sun'iy sirkadiyalik soatni yaratishdir. Buning uchun har birida bo'lishi mumkin bo'lgan sirkadiyalik ritmlarni yaxshiroq tushunish uchun shovqin va harorat kompensatsiyasi kamaytirilgan sun'iy soat ishlab chiqish kerak bo'ladi. domen hayot.[7] Sirkadiyalik ritmlarning buzilishi in ritmikligini yo'qotishiga olib kelishi mumkin metabolik va transkripsiyaviy jarayonlar, va hatto ma'lum bir boshlanishini tezlashtirish neyrodejenerativ kasalliklar kabi Altsgeymer kasalligi.[8] 2017 yilda laboratoriyada sirkadiyalik ritmlarni hosil qiladigan va haroratga unchalik ta'sir qilmaydigan osilatorlar yaratildi.[6]

Patologik jihatdan, repressilator modeli hujayralar o'sishi va paydo bo'lishi mumkin bo'lgan anormalliklarni, masalan, mavjud bo'lganlarni modellashtirish uchun ishlatilishi mumkin. saraton hujayralar.[9] Bunda saraton hujayralarining sirkadiyalik faolligi asosida yangi davolash usullari ishlab chiqilishi mumkin. Bundan tashqari, 2016 yilda tadqiqot guruhi repressilatorning avvalgi dizayni bo'yicha yaxshilandi. Keyingi shovqin (signalni qayta ishlash) mualliflar GFP muxbirining konstruktsiyasini repressilator plazmidiga o'tkazdilar va har bir repressor oqsilidan ssrA degradatsiyasi teglarini olib tashladilar. Bu davrni uzaytirdi va repressilatorning tebranishlarining muntazamligini yaxshiladi.[10]

2019 yilda tadqiqot Elowitz va Leybler modelini repressilator tizimini takomillashtirish orqali takomillashtirib, noyob modelga ega bo'ldi. barqaror holat va yangi tarif funktsiyasi. Ushbu tajriba repressiya va genlarni tartibga solish.[11]

Ahamiyati

Sintetik biologiya

Sun'iy repressilatorlar sintetik inhibisyon tsiklini implantatsiya qilish yo'li bilan topilgan E. coli. Bu sintetik tebranishlarning organizmga birinchi marta tatbiq etilishini anglatadi. Buning keyingi ta'siriga model organizmlarda sintetik ravishda tebranishlarning mutatsiyaga uchragan tarkibiy qismlarini qutqarish imkoniyati kiradi.[7]

Sun'iy repressilator sintetik biologiyaning muhim bosqichi bo'lib, genetik regulyator tarmoqlari yangi funktsiyalarni bajarish uchun ishlab chiqilishi va amalga oshirilishi mumkinligini ko'rsatadi. Ammo, ma'lum vaqt o'tgach, hujayralar tebranishlari fazadan chiqib ketganligi va sun'iy repressilatorning faoliyatiga hujayralar o'sishi ta'sir ko'rsatgani aniqlandi. Dastlabki tajriba[7] shuning uchun ga yangi minnatdorchilik bildirdi sirkadiyalik soat ko'plab organizmlarda uchraydi, chunki endogen repressilatorlar implantatsiya qilingan sun'iy repressilatorlarga qaraganda ancha kuchli. Da yangi tergovlar RIKEN miqdoriy biologiya markazi bitta oqsil molekulasining kimyoviy modifikatsiyalari haroratga bog'liq bo'lmagan, o'zini o'zi barqaror osilator hosil qilishi mumkinligini aniqladilar.[12]

Sun'iy repressilatorlar potentsial ravishda sirkadiyalik biologiyadan endokrinologiyaga qadar bo'lgan sohalardagi tadqiqotlar va davolanishga yordam berishi mumkin. Ular tabiiy biologik tizimlarga xos bo'lgan sinxronizatsiya va ularga ta'sir etuvchi omillarni tobora ko'proq namoyish eta olishmoqda.[13]

Sirkadiyalik biologiya

Endogen, sirkadiyalik vaqtga ega model organizmlarda tabiiy ravishda paydo bo'ladigan repressilatorni yaxshiroq tushunish. A. taliana, qishloq xo'jaligida, ayniqsa o'simliklarni etishtirish va chorvachilikni boshqarish bo'yicha qo'llanmalarga ega.[14]

Adabiyotlar

  1. ^ Oliveira, Samuel M. D .; Chandraseelan, Jerom G.; Xekkinen, Antti; Gonkalves, Nadiya S. M.; Yli-Xarja, Olli; Startceva, Sofiya; Ribeyro, Andre S. (2015). "Repressilatorning bitta hujayrali kinetikasi, bitta nusxadagi plazmidda amalga oshirilganda". Mol. BioSyst. 11 (7): 1939–1945. doi:10.1039 / c5mb00012b. PMID  25923804.
  2. ^ Stanislas Leybler; Elowitz, Maykl B. (2000-01-20). "Transkripsiya regulyatorlarining sintetik salınımlı tarmog'i". Tabiat. 403 (6767): 335–338. Bibcode:2000. Nat.403..335E. doi:10.1038/35002125. ISSN  1476-4687. PMID  10659856.
  3. ^ a b v d Kay, Stiv A.; Nagel, Dawn H. (2012-08-21). "O'simliklar tsirkadian tarmoqlarini ulash va tartibga solishda murakkablik". Hozirgi biologiya. 22 (16): R648-R657. doi:10.1016 / j.cub.2012.07.025. ISSN  0960-9822. PMC  3427731. PMID  22917516.
  4. ^ Xsu, Polli Yingshan; Harmer, Stacey L. (2014 yil bahor). "G'ildiraklar ichidagi g'ildiraklar: o'simlik sirkadiyan tizimi". O'simlikshunoslik tendentsiyalari. 19 (4): 240–249. doi:10.1016 / j.tplants.2013.11.007. ISSN  1360-1385. PMC  3976767. PMID  24373845.
  5. ^ a b Poxilko, Aleksandra; Fernández, Aurora Piñas; Edvards, Kieron D; Janubiy, Megan M; Xeldeydi, Karen J; Millar, Endryu J (2012-03-13). "Arabidopsisdagi soat genlari sxemasi qo'shimcha geribildirim tsikli bilan repressilatorni o'z ichiga oladi". Molekulyar tizimlar biologiyasi. 8: 574. doi:10.1038 / msb.2012.6. ISSN  1744-4292. PMC  3321525. PMID  22395476.
  6. ^ a b v d Vu, Lili; Ouyang, Qi; Vang, Xongli (2017-02-02). "Haroratga bog'liq bo'lmagan davrlar bilan tebranishlar hosil qilish uchun mustahkam tarmoq topologiyalari". PLOS ONE. 12 (2): e0171263. Bibcode:2017PLoSO..1271263W. doi:10.1371 / journal.pone.0171263. ISSN  1932-6203. PMC  5289577. PMID  28152061.
  7. ^ a b v Transkripsiya regulyatorlarining sintetik tebranuvchi tarmog'i; Maykl Elowits va Stanislas Leybler; Tabiat. 2000 yil 20-yanvar; 403 (6767): 335-8.
  8. ^ Gomolak, Jan; Mudrovchich, Monika; Vukich, Barbara; Toljan, Karlo (2018-06-21). "Sirkadiyalik ritm va altsgeymer kasalligi". Tibbiyot fanlari. 6 (3): 52. doi:10.3390 / medsci6030052. ISSN  2076-3271. PMC  6164904. PMID  29933646.
  9. ^ Syzyńska, Zuzanna; Sitovski, Masij; Mitchell, Elaine; Maknamara, Sisli K.; Chaplain, Mark A. J. (may, 2018). "Saraton rivojlanishi va o'sishini hisoblashda modellashtirish: ko'p miqyosda modellashtirish va ko'p o'lchovli modellashtirish". Matematik biologiya byulleteni. 80 (5): 1366–1403. doi:10.1007 / s11538-017-0292-3. hdl:10023/14364. ISSN  1522-9602. PMID  28634857.
  10. ^ Potvin-Trottier, Loran; Lord, Natan D.; Vinnikombe, Glen; Polson, Yoxan (2016-10-27). "Sintetik gen zanjiridagi sinxron uzoq muddatli tebranishlar". Tabiat. 538 (7626): 514–517. Bibcode:2016 yil Natur.538..514P. doi:10.1038 / nature19841. PMC  5637407. PMID  27732583.
  11. ^ Tayler, Jonatan; Shiu, Anne; Uolton, Jey (2019-03-30). "Tebranishlarni namoyish etadigan sintetik hujayra ichidagi tartibga solish tarmog'ini qayta ko'rib chiqish". Matematik biologiya jurnali. 78 (7): 2341–2368. arXiv:1808.00595. doi:10.1007 / s00285-019-01346-3. ISSN  1432-1416. PMID  30929046.
  12. ^ Jolli, Kreyg S.; Ode, Koji L.; Ueda, Xiroki R. (2012). "Posttranslational biokimyoviy osilator uchun dizayn printsipi". Hujayra hisobotlari. 2 (4): 938–950. doi:10.1016 / j.celrep.2012.09.006. ISSN  2211-1247. PMID  23084745.
  13. ^ Garsiya-Ojalvo, Xordi; Elowits, Maykl B.; Strogatz, Stiven H. (2004-07-27). "Sintetik ko'p hujayrali soatni modellashtirish: repressilatorlar kvorum sezgi bilan birlashtirilgan". Amerika Qo'shma Shtatlari Milliy Fanlar Akademiyasi materiallari. 101 (30): 10955–10960. Bibcode:2004 yil PNAS..10110955G. doi:10.1073 / pnas.0307095101. ISSN  0027-8424. PMC  503725. PMID  15256602.
  14. ^ Gotlib, Dafna (2019-06-29). "Agroxronobiologiya: saqlashni boshqarishda sirkadiyalik soatlarni / vaqt biologiyasini birlashtirish". Saqlangan mahsulotlarni tadqiq qilish jurnali. 82: 9–16. doi:10.1016 / j.jspr.2019.03.003. ISSN  0022-474X.


Tashqi havolalar