Синтаксис генов контролирует вариабельность в синтетических плазмидах

Исследователи из Дартмутского колледжа обнаружили, что порядок расположения генов в плазмиде — «синтаксис генов» — влияет на силу их экспрессии, стабильность поведения в разных клетках и взаимодействие с соседними генами. Последовательности ДНК отдельных генов оставались неизменными, но изменение их синтаксиса приводило к разным уровням экспрессии и интерференции.

Синтетические плазмиды часто демонстрируют непредсказуемую экспрессию генов. В исследовании, опубликованном в Journal of Biological Engineering, учёные провели систематический анализ влияния порядка и ориентации генов на экспрессию.

• Эксперимент: В плазмидах с использованием клеток E. coli NEB 10-beta флуоресцентные репортёрные гены (GFP, RFP) располагали в разных порядках и ориентациях при идентичных промоторах и сайтах связывания рибосом. Экспрессию измеряли с помощью проточной цитометрии в более чем 90 000 отдельных бактериальных клеток на образец.

Ключевые результаты:

• Уровень экспрессии: Зависел от положения гена. Экспрессия GFP варьировала более чем в 1.8 раза, RFP — в 1.56 раза. Отношение экспрессии двух репортёров менялось до 1.4 раза.
• Ориентация: Гены, ориентированные в том же направлении, что и начало репликации плазмиды, экспрессировались стабильнее и сильнее, чем гены в противоположной ориентации.
• Взаимное расположение: Тандемная ориентация генов давала более сильную экспрессию по сравнению с конвергентной или дивергентной. Дивергентная ориентация подавляла активность генов в обоих направлениях.
• Вариабельность: Уровень вариабельности экспрессии между клетками (шум) зависел от синтаксиса генов. Экспрессия GFP была менее вариабельной, чем RFP, что связано с пост-трансляционными свойствами белков.
• Влияние на генетические схемы: Синтаксис генов изменял работу синтетической схемы incoherent feedforward loop. Кодовая ориентация гена-регулятора давала более сильную активацию и чёткий пик экспрессии GFP по сравнению с встречной ориентацией, при идентичных генетических компонентах.

Вывод: Синтаксис генов — не нейтральная особенность дизайна плазмиды, а настраиваемая переменная, влияющая на силу, соотношение и стабильность экспрессии, а также на функцию сложных генетических схем. Учёт этого фактора может повысить предсказуемость синтетических биологических систем и сократить необходимость в методе проб и ошибок.