<p>分子生物學(xué)的基本原理決定了蛋白質(zhì)如何在細(xì)胞內(nèi)生成，這發(fā)生在轉(zhuǎn)錄和翻譯兩個(gè)階段。在轉(zhuǎn)錄過程中，存儲(chǔ)在DNA中的信息被復(fù)制成信使RNA (mRNA)。然后在翻譯過程中，核糖體根據(jù)mRNA上指定的指令一次一個(gè)氨基酸組裝蛋白質(zhì)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>對(duì)這一過程的理解是如此基礎(chǔ)，以至于僅僅是信息流從DNA到信使rna再到蛋白質(zhì)的方向就被稱為分子生物學(xué)的&ldquo;中心法則&rdquo;，這個(gè)術(shù)語(yǔ)是諾貝爾獎(jiǎng)得主弗朗西斯&middot;克里克(Francis Crick)創(chuàng)造的。自20年前系統(tǒng)生物學(xué)出現(xiàn)以來，研究人員一直試圖建立細(xì)胞如何根據(jù)基因表達(dá)數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄和翻譯過程&mdash;&mdash;哪些mrna和蛋白質(zhì)是在什么條件下產(chǎn)生的。</p> <p>&nbsp;</p> <p>破譯細(xì)胞如何調(diào)節(jié)這些活動(dòng)將有助于了解它們?nèi)绾翁幚憝h(huán)境信息來調(diào)節(jié)其行為。它還將允許科學(xué)家制定精確控制蛋白質(zhì)水平的策略&mdash;&mdash;這是合成生物學(xué)的關(guān)鍵一步。合成生物學(xué)試圖通過重新設(shè)計(jì)和重組基因及其相互作用來解決醫(yī)學(xué)、制造業(yè)和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的問題。</p> <p>&nbsp;</p> <p>加州大學(xué)圣地亞哥分校的研究人員首次證明，模型細(xì)菌大腸桿菌的基因表達(dá)變化幾乎完全發(fā)生在細(xì)胞生長(zhǎng)的轉(zhuǎn)錄階段。研究人員提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的定量公式，將調(diào)控控制與mRNA和蛋白質(zhì)水平聯(lián)系起來。研究結(jié)果和公式發(fā)表在最近一期的《科學(xué)》雜志上。<img src="https://today.ucsd.edu/news_uploads/HWA_mRNA_inset_full.png" alt="Illustration of principles governing gene expression in E.coli." width="808" height="495" />&nbsp;</p> <p>大腸桿菌中控制基因表達(dá)的原理說明。</p> <p><br />在大腸桿菌中控制基因表達(dá)的原則:RNA聚合酶(rnap)的可用性與核糖體的可用性協(xié)調(diào)，并且mRNA的特征在大多數(shù)基因和生長(zhǎng)條件下是一致的。這兩個(gè)原則規(guī)定了一個(gè)簡(jiǎn)單的基因表達(dá)策略，其中蛋白質(zhì)濃度幾乎完全控制在大多數(shù)基因的啟動(dòng)子水平。</p> <p><br />&ldquo;最終，我們提供的是一種定量關(guān)系，科學(xué)家可以用來解釋致病菌如何逃避抗生素治療和宿主免疫。&rdquo;加州大學(xué)圣地亞哥分校物理學(xué)和生物科學(xué)杰出教授、該項(xiàng)目的首席研究員特里&middot;華(Terry Hwa)說。&ldquo;在合成生物學(xué)的背景下，它將允許細(xì)菌被重新設(shè)計(jì)和重新布線，以用于檢測(cè)和清理有毒廢物，或被送入體內(nèi)殺死癌細(xì)胞。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>分子生物學(xué)的中心法則是線性的，從DNA到信使rna再到蛋白質(zhì)。這在個(gè)體基因?qū)用嫔虾芎?jiǎn)單:打開一個(gè)基因，制造信使rna，從信使rna創(chuàng)造蛋白質(zhì)。通常，生物學(xué)家認(rèn)為基因調(diào)控是線性的，因?yàn)樗麄冊(cè)O(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)只改變單個(gè)基因或少數(shù)特定于他們研究的基因，而不會(huì)嚴(yán)重影響整個(gè)細(xì)胞系統(tǒng)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>根據(jù)這種思路，制造兩倍的mrna會(huì)產(chǎn)生兩倍的蛋白質(zhì);然而，當(dāng)考慮到系統(tǒng)層面，所有的基因都在一起時(shí)，這是不正確的，關(guān)于中心法則的線性思維方式是不成立的。<img src="https://today.ucsd.edu/news_uploads/HWA_mRNA_inset1.png" alt="Illustration of DNA to mRNA to protein." width="400" height="253" />&nbsp;</p> <p>這是因?yàn)榧?xì)胞必須處理某些全局約束。例如，細(xì)胞中的總蛋白質(zhì)濃度近似恒定。當(dāng)環(huán)境發(fā)生變化，細(xì)胞通過調(diào)節(jié)某些基因的表達(dá)來適應(yīng)環(huán)境時(shí)，這些全局約束不僅迫使這些基因的表達(dá)發(fā)生額外的變化，而且還迫使其他沒有直接調(diào)控的基因的表達(dá)發(fā)生額外的變化。</p> <p>&nbsp;</p> <p>雖然系統(tǒng)生物學(xué)家在編寫模擬基因表達(dá)的方程時(shí)沒有考慮到這些全局約束，但Hwa的團(tuán)隊(duì)從相反的角度看待這個(gè)問題。他們從約束條件開始，然后用絕對(duì)測(cè)量進(jìn)行定量陳述，超越了通常使用的相對(duì)測(cè)量。</p> <p>&nbsp;</p> <p>Hwa說:&ldquo;我們投入了大量的時(shí)間和精力來量化這些變化，這樣我們就可以過濾掉那些在全球?qū)用嫔险嬲屓朔中牡奈⑿∽兓?amp;rdquo;&ldquo;絕對(duì)定量測(cè)量將使研究人員能夠定量地將mRNA水平與蛋白質(zhì)水平聯(lián)系起來，反之亦然。人們不能根據(jù)相對(duì)的測(cè)量來做出這樣的聲明。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>Hwa認(rèn)為，這項(xiàng)研究將重塑世界各地生物學(xué)教科書和課堂上教授基因表達(dá)和調(diào)控的方式，他說，這已經(jīng)與他目前在自己的課堂上教授的內(nèi)容相悖。</p> <p>&nbsp;</p> <p>控制基因表達(dá)是一個(gè)復(fù)雜的過程。一個(gè)好的設(shè)計(jì)規(guī)則是必不可少的，這樣同一個(gè)遺傳電路就可以在多種條件下工作。目前，科學(xué)家們經(jīng)?？吹剿麄?cè)谝粋€(gè)環(huán)境中花費(fèi)大量精力開發(fā)的電路在另一個(gè)環(huán)境中失效。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;我們使用了錯(cuò)誤的框架。&rdquo;Hwa說。&ldquo;現(xiàn)在這項(xiàng)工作提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的配方，可用于破譯細(xì)菌反應(yīng)中的基因-基因相互作用，并可用于合成生物學(xué)中更有效地設(shè)計(jì)遺傳電路，有助于解決生物技術(shù)和健康科學(xué)領(lǐng)域的一些緊迫問題。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>這篇論文的共同第一作者是Rohan Balakrishnan和Matteo Mori(均為加州大學(xué)圣地亞哥分校)。其他貢獻(xiàn)者包括Igor Segota和Zhongge Zhang(都是加州大學(xué)圣地亞哥分校)，Ruedi Aebersold(蘇黎世大學(xué))和Christina Ludwig(慕尼黑工業(yè)大學(xué))。</p> <p>這項(xiàng)工作得到了NIH撥款R01GM109069和NSF撥款MCB1818384的支持。</p> <p>&nbsp;</p> <blockquote> <p>注：本文由院校官方新聞直譯，僅供參考，不代表指南者留學(xué)態(tài)度觀點(diǎn)。</p> </blockquote>