압착기

Repressilator

억제제는 적어도 3개의 유전자를 가진 피드백 루프 1개로 구성된 유전적 규제 네트워크로, 각각 루프의 다음 유전자를 억제하는 단백질을 발현한다.[1] 생물학적 연구에서, 억제기는 세포 모델을 만들고 세포 기능을 이해하는 데 사용되어 왔다. 인공적인 억제제와 자연적으로 발생하는 억제제가 있다. 최근 아라비도시스 탈리아나(A. taliana)와 포유류 시스템에서 자연적으로 발생하는 억제제 시계 유전자 회로가 연구되고 있다.

인공억제기

인공적인 억제기는 세포 구성 요소와 기능의 단순한 시스템을 연구하는 다른 연구 프로젝트를 보완하기 [2]위해 2000년에 마이클 엘로위츠와 스타니슬라스 라이블러에 의해 처음 설계되었다. 셀의 기능을 혼동하는 디자인과 세포 메커니즘을 이해하고 모델링하기 위해, 엘로위츠와 레이블러는 세 개의 전사적 억제기가 있는 루프로 구성된 인공 네트워크를 만들었다. 이 네트워크는 일정한 시간 동안 전기 발진기 계통처럼 작용하는 안정적인 진동을 보이도록 처음부터 설계되었다. 이 네트워크는 재조합 DNA 전달을 통해 대장균(E. coly)에서 구현되었다. 그리고 나서 공학적 집락들이 실제로 원하는 진동적 행동을 보인다는 것이 확인되었다.

억제제는 피드백 루프에 연결된 세 개의 유전자로 구성되는데, 그래서 각 유전자는 루프에 있는 다음 유전자를 억제하고 이전 유전자에 의해 억제된다. E에 대한 합성 삽입에서. 콜리, 녹색 형광 단백질(GFP)을 기자로 삼아 형광 현미경을 이용해 네트워크의 행동을 관찰할 수 있도록 했다.

유전자에 의해 번역된 각 단백질이 순환에서 다음 단백질을 억제하는 억제제 유전적 규제 네트워크.

억제기의 설계는 분석의 이산형 및 확률형 모델과 함께 생물학적 및 회로 원리에 의해 유도되었다. 단백질과 mRNA 농도를 기반으로 한 억제제 시스템의 운동학적 모델과 적절한 매개변수 및 힐 계수 값을 모델링하기 위해 6개의 미분방정식을 사용했다. 연구에서 Elowitz와 Leibler는 유사한 파라미터를 사용하는 억제기 모델의 확률적 버전뿐만 아니라 통합과 대표적인 파라미터 값을 사용하여 억제기 단백질의 진동을 보여주는 수치를 생성했다. 이 모델들은 지속적인 진동을 생성하는 다양한 비율의 값을 결정하기 위해 분석되었다. 이러한 진동들은 효율적인 리보솜 결합 사이트, 협력적 전사 억제기, 유사한 단백질과 mRNA 붕괴율과 결합하여 촉진자들이 선호하는 것으로 밝혀졌다.

이 분석은 유전자에 조작된 두 가지 설계 특징에 동기를 부여했다. 첫째, 프로모터 지역은 대장균 페이징 람다 PL(Lacl) 프로모터와 Lac repressor(Lacl) 및 TetR(TetR) 연산자 시퀀스를 결합한 보다 효율적인 하이브리드 프로모터로 대체되었다. 둘째, 억제기 단백질과 mRNA의 수명 차이를 줄이기 위해 각 억제기 유전자의 3의 끝에 ssrA-RNA 시퀀스에 기초한 카복시 단자 태그를 추가했다. 이 태그는 단백질이 분해되는 것을 목표로 하는 보호제에 의해 인식된다. 이 디자인은 대장균의 문화를 변혁하는 데 이용되었던 리프레시레이터를 인코딩하는 저복사 플라스미드와 고복사 리포터를 사용하여 구현되었다.

자연발생적억제

식물

식물의 순환 회로는 억제기라 불리는 전사적 규제 피드백 루프를 특징으로 한다. A. 탈리아나의 코어 오실레이터 루프(회색으로 표시)에서 빛은 먼저 두 개의 암호색체와 다섯 개의 피토크롬에 의해 감지된다. Circadian Clock Associated 1 (CCA1)과 LHY (Late Elongated Hypocotyl)라는 두 개의 전사 인자는 CAB 표현 1 (TOC1)과 같은 저녁 표현과 관련된 유전자를 억제하고 그들의 발기인들에 결합하여 아침 표현과 관련된 유전자를 활성화시킨다. 저녁 유전자인 TOC1은 알려지지 않은 메커니즘을 통해 CCA1과 LHY를 긍정적으로 조절한다.[3] 저녁 표기의 전사 인자 CCA1 하이킹 원정대(CHE)와 히스톤 데메틸아제 주몬지 C 도메인 함유 5(JMJD5)는 CCA1을 직접 억제한다. 다른 요소들은 하루 종일 표현되고, 그 결과 원소를 직접 또는 간접적으로 억제하거나 활성화하여 복잡하고 견고하며 유연한 피드백 루프 네트워크를 형성하는 것으로 밝혀졌다.[3]

아침 위상 표현

아침상 표현 루프는 A. 탈리아나에서 낮 동안 리듬을 조절하는 유전자와 단백질을 말한다. 두 개의 주요 유전자는 LHY와 CCA1 전사 인자를 인코딩하는 LHY와 CCA1이다.[4] 이 단백질들은 핵으로 들어가 TOC1 유전자 촉진제와 결합하는 이단자를 형성하여 TOC1 단백질의 생산을 억제한다. TOC1 단백질이 발현되면, LHY와 CCA1의 전사를 억제하여 LHY와 CCA1을 조절하는 역할을 한다. 이것은 이후 2012년에 박사에 의해 지원되었다. TOC1이 LHY와 CCA1 표현의 억제제 역할을 했다는 것을 보여주기 위해 컴퓨터 분석을 이용했던 알렉산드라 포킬로.[5] 모닝루프는 저포코틸연장을 촉진하는 저녁상루프와 대조적으로 저포코틸연장을 억제하는 역할을 한다. 아침 위상 루프는 저녁 위상 표현 유전자가 변이되었을 때 순환 진동을 지지할 수 없는 것으로 나타나 [5]이 자연적으로 발생하는 억제기에서 각 성분의 상호의존성을 시사한다.

저녁 위상 표현

얼리 플라워닝 3 (ELF3) , 얼리 플라워닝 4 (ELF4) , 파이토크록1 (LUX)은 A. 탈리아나의 저녁 시간표상 유전자 발현에 있어서 핵심 요소들이다. 이들은 LUX가 피토크롬 인터랙티브 팩터 4(PIF4)와 피토크롬 인터랙티브 팩터 5(PIF5)의 프로모터에 결합해 이를 억제하는 저녁 콤플렉스를 형성한다.[3] 그 결과, 저포코틸 연립은 초기 단계에서 억제된다. 늦은 밤에 억제가 완화되면 하이포틸이 길어진다. 광선개화는 출력유전자 Gigantea(GI)에 의해 제어되며, GI는 밤에 활성화되어 Constans(CO)의 발현을 활성화시켜 Crowing Locus T(FT)의 발현을 활성화시킨다. 그리고 나서 FT는 오래간만에 꽃을 피게 한다.[3]

포유류

포유류는 24시간 동안 생리학과 행동을 모두 조정하기 위해 내생적 타이밍 메커니즘을 진화시켰다.[6] 2016년에 연구자들은 이 메커니즘 안에서 세 가지 후속 억제 순서를 확인하였고, 이 억제 순서는 현재 이 순환 네트워크의 주요 핵심 요소로 작용하는 것으로 여겨지고 있다. 이 시스템의 필요성은 핵심 포유류 시계 유전자인 크립토크롬(Cry), 주기(Per), 레브(Rev-erb)[6] 사이의 일련의 유전자 녹아웃을 통해 확립되었다. 이들 연구진이 생성한 모델에는 각각 E-box 매개 전사의 드라이버로 Bmal1, 초기 및 후기 E-box 억제기로 Per2, Cry1을 비롯해 D-box 조절기 Dbp, 핵수용체 Rev-erb-α 등이 있다. Rev-erb, Per 및 Cry1에 의한 순차적 억제는 지속적인 진동을 발생시킬 수 있으며, 이 억제기 진동을 제외한 다른 모든 구성 요소를 유사한 진폭과 주기로 유지하여 클램핑을 할 수 있다.[6] 모든 진동 네트워크는 연구자들에 의해 발표된 다양한 도식에서 증명된 바와 같이 이 세 가지 핵심 유전자의 어떤 조합도 포함하는 것처럼 보인다.

최근 작업

억제기 모델은 다른 생물학적 경로와 시스템을 모델링하고 연구하는데 사용되어 왔다. 그 이후, 억제기의 모델링 용량에 대한 광범위한 작업이 수행되었다. 2003년에 많은 변수를 가진 모델이 되는 생물학적 모델의 표현과 검증이 심파티카 시스템을 사용하여 수행되었고, 심파티카 시스템은 모델이 실제로 모든 복잡성과 함께 진동한다는 것을 검증했다.

Elowitz와 Leibler의 원저에 언급된 바와 같이, 억제제 연구의 궁극적인 목표는 자연적이고 내생적인 상대인 인공 순환 시계를 만드는 것이다. 이것은 삶의 모든 영역에서 발견될 수 있는 순환 리듬을 더 잘 이해하기 위해 소음과 온도 보상이 감소된 인공 시계를 개발하는 것을 포함할 것이다.[7] 순환 리듬의 붕괴는 대사 작용과 전사의 리듬감 저하로 이어질 수 있으며 알츠하이머병과 같은 특정 신경퇴행성 질환의 발생을 촉진시킬 수도 있다.[8] 2017년 실험실에서 원형 리듬을 만들어 내고 온도에 큰 영향을 받지 않는 발진기가 만들어졌다.[6]

병리학적으로 억제기 모델은 암세포에 존재하는 것과 같이 발생할 수 있는 세포의 성장과 이상을 모형화하는 데 사용될 수 있다.[9] 그렇게 함으로써 암세포의 순환 활성도를 바탕으로 새로운 치료법이 개발될 수도 있다. 또한, 2016년에 한 연구팀이 이전의 억제 장치 설계를 개선했다. 저자들은 소음(신호 처리) 분석 후, GFP 리포터 구조를 억제제 플라스미드로 옮기고 각 억제제 단백질에서 ssrA 분해 태그를 제거했다. 이것은 그 기간을 연장시켰고 억제기의 진동 규칙성을 향상시켰다.[10]

2019년에는 독특한 안정상태와 새로운 요금기능의 모델을 달성하여 억제장치를 개선하여 Elowitz와 Leibler의 모델을 연구하였다. 이 실험은 억압과 유전자 조절에 대한 현재의 지식을 확장시켰다.[11]

의의

합성생물학

인공 억제제는 합성 억제 루프를 대장균에 이식하여 발견되었다. 이것은 유기체에 합성 진동을 최초로 구현한 것이다. 이것의 추가적인 의미는 모델 유기체에서 변이된 진동 구성요소를 합성하여 구조할 수 있는 가능성을 포함한다.[7]

인공억제기는 유전자 규제 네트워크가 새로운 기능을 수행하도록 설계되고 구현될 수 있음을 보여주는 합성생물학의 이정표다. 그러나 세포의 진동은 일정 기간이 지나면 위상 밖으로 표류하고 인공억제기의 활성도는 세포 성장의 영향을 받는 것으로 밝혀졌다. 그러므로 초기 실험은[7] 내생적 억제기가 이식된 인공 억제기보다 훨씬 강력하기 때문에 많은 유기체에서 발견되는 순환기 시계를 새롭게 이해시켰다. RIKEN 정량 생물학 센터의 새로운 조사에 따르면, 단일 단백질 분자에 대한 화학적 수정은 온도 독립적이고 자급 가능한 발진기를 형성할 수 있다는 것을 발견했다.[12]

인공적인 억제제는 잠재적으로 체내 생물학에서 내분비학까지 다양한 분야의 연구와 치료에 도움을 줄 수 있다. 그들은 자연 생물학적 시스템에 내재된 동기화와 그것에 영향을 미치는 요소들을 점점 더 잘 보여줄 수 있다.[13]

서커디안 생물학

탈리아나와 같이 내생적이고 순환적인 타이밍을 가진 모형 유기체에서 자연적으로 발생하는 억제제를 더 잘 이해하면 특히 식물 사육과 가축 관리와 관련하여 농업에 응용할 수 있다.[14]

참조

  1. ^ Oliveira, Samuel M. D.; Chandraseelan, Jerome G.; Häkkinen, Antti; Goncalves, Nadia S. M.; Yli-Harja, Olli; Startceva, Sofia; Ribeiro, Andre S. (2015). "Single-cell kinetics of a repressilator when implemented in a single-copy plasmid". Mol. BioSyst. 11 (7): 1939–1945. doi:10.1039/c5mb00012b. PMID 25923804.
  2. ^ Stanislas Leibler; Elowitz, Michael B. (2000-01-20). "A synthetic oscillatory network of transcriptional regulators". Nature. 403 (6767): 335–338. Bibcode:2000Natur.403..335E. doi:10.1038/35002125. ISSN 1476-4687. PMID 10659856. S2CID 41632754.
  3. ^ a b c d Kay, Steve A.; Nagel, Dawn H. (2012-08-21). "Complexity in the Wiring and Regulation of Plant Circadian Networks". Current Biology. 22 (16): R648–R657. doi:10.1016/j.cub.2012.07.025. ISSN 0960-9822. PMC 3427731. PMID 22917516.
  4. ^ Hsu, Polly Yingshan; Harmer, Stacey L. (Spring 2014). "Wheels within wheels: the plant circadian system". Trends in Plant Science. 19 (4): 240–249. doi:10.1016/j.tplants.2013.11.007. ISSN 1360-1385. PMC 3976767. PMID 24373845.
  5. ^ a b Pokhilko, Alexandra; Fernández, Aurora Piñas; Edwards, Kieron D; Southern, Megan M; Halliday, Karen J; Millar, Andrew J (2012-03-13). "The clock gene circuit in Arabidopsis includes a repressilator with additional feedback loops". Molecular Systems Biology. 8: 574. doi:10.1038/msb.2012.6. ISSN 1744-4292. PMC 3321525. PMID 22395476.
  6. ^ a b c d Wu, Lili; Ouyang, Qi; Wang, Hongli (2017-02-02). "Robust network topologies for generating oscillations with temperature-independent periods". PLOS ONE. 12 (2): e0171263. Bibcode:2017PLoSO..1271263W. doi:10.1371/journal.pone.0171263. ISSN 1932-6203. PMC 5289577. PMID 28152061.
  7. ^ a b c 전사 규제기관의 합성 진동 네트워크; Michael Elowitz와 Stanislas Leibler; Nature. 2000년 1월 20일;403(6767):335-8.
  8. ^ Homolak, Jan; Mudrovčić, Monika; Vukić, Barbara; Toljan, Karlo (2018-06-21). "Circadian Rhythm and Alzheimer's Disease". Medical Sciences. 6 (3): 52. doi:10.3390/medsci6030052. ISSN 2076-3271. PMC 6164904. PMID 29933646.
  9. ^ Szymańska, Zuzanna; Cytowski, Maciej; Mitchell, Elaine; Macnamara, Cicely K.; Chaplain, Mark A. J. (May 2018). "Computational Modelling of Cancer Development and Growth: Modelling at Multiple Scales and Multiscale Modelling" (PDF). Bulletin of Mathematical Biology. 80 (5): 1366–1403. doi:10.1007/s11538-017-0292-3. hdl:10023/14364. ISSN 1522-9602. PMID 28634857. S2CID 4009271.
  10. ^ Potvin-Trottier, Laurent; Lord, Nathan D.; Vinnicombe, Glenn; Paulsson, Johan (2016-10-27). "Synchronous long-term oscillations in a synthetic gene circuit". Nature. 538 (7626): 514–517. Bibcode:2016Natur.538..514P. doi:10.1038/nature19841. PMC 5637407. PMID 27732583.
  11. ^ Tyler, Jonathan; Shiu, Anne; Walton, Jay (2019-03-30). "Revisiting a synthetic intracellular regulatory network that exhibits oscillations". Journal of Mathematical Biology. 78 (7): 2341–2368. arXiv:1808.00595. doi:10.1007/s00285-019-01346-3. ISSN 1432-1416. PMID 30929046. S2CID 51907979.
  12. ^ Jolley, Craig C.; Ode, Koji L.; Ueda, Hiroki R. (2012). "A Design Principle for a Posttranslational Biochemical Oscillator". Cell Reports. 2 (4): 938–950. doi:10.1016/j.celrep.2012.09.006. ISSN 2211-1247. PMID 23084745.
  13. ^ Garcia-Ojalvo, Jordi; Elowitz, Michael B.; Strogatz, Steven H. (2004-07-27). "Modeling a synthetic multicellular clock: Repressilators coupled by quorum sensing". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 101 (30): 10955–10960. Bibcode:2004PNAS..10110955G. doi:10.1073/pnas.0307095101. ISSN 0027-8424. PMC 503725. PMID 15256602.
  14. ^ Gottlieb, Daphna (2019-06-29). "Agro-chronobiology: Integrating circadian clocks /time biology into storage management". Journal of Stored Products Research. 82: 9–16. doi:10.1016/j.jspr.2019.03.003. ISSN 0022-474X.


외부 링크