绝缘子工作原理
2016-05-31 11:49阅读:
上篇文章讲到在基因回路设计中,我们在不同的部件间要插入绝缘子(insulator)序列,避免不同部件间的干扰。这里具体介绍为什么需要绝缘子以及绝缘子大致的工作原理。
在表征基因逻辑门的工作效率时,我们定义传递函数(transfer
function),该函数为逻辑门或其他通路输出启动子(promoter)的活度(activity)和输入启动子的活度的比值。下图中NOT门的输出启动子为pOR1,输入启动子为
pTAC、
pLlacO-1或
pBAD。如果我们固定输入启动子活度,那么输出启动子活度应该相似。也就是说传递函数应是逻辑门的内秉性质。但实验研究发现并非如此。
Voigt等人设计了如下序列发现了传递函数与逻辑门自身序列和输入的诱导启动子序列相关。该设计中,要么直接把报告基因
gfp直接替换逻辑NOT门中的编码序列(上部)或是把
gfp基因直接融合到
cI基因下游。显而易见,对于这样设计的序列,表达的GFP蛋白荧光强度直接反映了原先逻辑门的输出启动子的活度。如果传递函数具有逻辑门内秉性,两种序列得到的荧光强度相当。当然这是建立在
gfp基因的表达和上游的
cI基因无关的基础之上的。即使这一假设不成立,两种序列得到的荧光强度比值应该是固定的(可能不为1),与输入启动子序列无关。
但实验上发现如果使用
pBAD启动子作为输入,CI-GFP/GFP的比值为0.3,但如果使用
SPAN>启动子作为输入,CI-GFP/GFP的比值为2.6。二者相差近10倍!也就是说逻辑门上游序列的身份影响逻辑门的传递函数。什么原因呢?
虽然启动子序列技术定义上终止于转录起始位置( 1),但实际上启动子通常在序列
1之后的下游位置存在额外的序列片段。这一方面可能是由于包含额外的调控元件,另一方面可能由于未知的或转录起点注释错误等。
具体说来,上述pTAC启动子和pBAD启动子之间的差异可能在于二者转录后的mRNA分子中5‘-UTR(5’端非翻译区)存在显著差异。具体说来pTAC启动子转录后的mRNA分子包含27个核苷酸的前导序列(Leader
Sequnce,即5‘-UTR)。而pBAD启动子转录后的mRNA分子仅包含5个核苷酸的前导序列。
如下分别为pTAC启动子和pBAD启动子DNA序列。蓝色标记的序列(
1开始)为转录后的mRNA分子中的5‘-UTR序列。显然二者长度上存在显著差异。此外下画线标注的序列为编转录因子的操纵子,加粗字体为启动子的-35和-10结合位点。pTAC
1位置往下游的下画线片段是LacO1操纵子(转录LacI抑制子)。
pTAC
ggcaaatattctgaaatgagctgttgacaattaatcatcggctcgtataatgtgtgg
aattgtgagcggataacaatttcacac
-35
-10
-1 1
pBAD
gaccaaagccatgacaaaaacgcgtaacaaaagtgtctataatcacggcagaaaagtccacattgattatttgcacggcgtcacactttgctatgccatagcatttttatccataagattagcggatcctacctgacgctttttatcgcaactctctactgtttctccat
-35
-10
-1
acccg
1
一系列系统化实验表明启动子对逻辑门的干扰效应和启动子近转录起始位点的序列以及cI基因的功能都无关,源头被证实来自5'-UTR序列。
既然发现了干扰的原因,那么怎么解决呢?Voigt设计了绝缘子解决这个问题,其主要思路添加一段序列,这个序列是个自催化的酶,能把5'-UTR序列切除。绝缘子的主要部件是一个核酶(Ribozyme),这个酶能选择性地在特定位点切断RNA链。它不仅能切断其他RNA分子,也能切断自身的序列。该酶来自烟草环斑病毒的卫星RNA分子。此外,在3'端还包含了一段23个核苷酸组成的发卡结构。
在添加绝缘子之后,不同起始位点的启动子把转录后的外源RNA前导链切除,剩下相同的序列。而3‘端额外的发卡结构帮助把RBS序列的Shine-Dalgarno序列暴露出来,促进翻译的进行。因此绝缘子的功能一是负面的作用,切除多余序列,另一方面是正面的作用,促进翻译过程。
在输入启动子和逻辑门之间添加绝缘子序列之后,可以发现不同的诱导输入启动子具有相同的传递函数(见上一篇),对于上面的CI-GFP和GFP的比值也变得相同。
在一个回路中,要把多个生物元件拼接子一起。每个之间都要添加绝缘子。但能否使用相同的绝缘子呢?后文介绍。