光遗传学技术在调控细菌生命活动中的应用

光遗传学技术利用光作为输入信号,能够精准地调控细胞的生理功能,同时具有高度的时间和空间特异性,使得构建高度动态的调控系统成为可能.近年来,随着新型光敏蛋白的发现和光照系统的创新,基于光遗传学技术的光控系统的效率得到了显著提高.通过合成生物学方法构造各种生物回路,光控系统在细菌中的应用也日益广泛.将光控系统作为输入模块,与其他生物功能模块相结合,能够实现对基因表达、蛋白质活性以及细菌生理功能的调控.本文主要介绍光遗传学技术的基本原理及其在合成生物学和调控细菌生命活动方面的应用.     

光控表达系统在合成生物学中的调控作用

光遗传学技术是将遗传学技术与光控技术相结合,利用光源控制生物过程的一项全新技术。光控表达系统是基于光遗传学技术与合成生物学方法相结合的策略,将光作为感测模块与生物体内已有的基因模块组合构成全新的基因回路,通过光信号动态调控基因表达的系统。该系统是一种低成本、低毒性、高灵活性的新型动态调控开关,对基因精准调控的同时还能有效解决能源短缺问题。目前,该系统已经成熟地应用于疾病诊疗、材料合成等领域,同时也极大促进了微生物代谢及合成生物学的发展。光受体是光遗传学技术中不可缺少的工具元件,根据不同生物光受体的感光特性,介绍用于控制基因表达的光调控系统,重点分析其在调控微生物系统内基因表达、代谢途径和药物递送中的应用,探讨光遗传学技术在合成生物学应用中可能存在的问题及未来发展前景。     

光遗传学工具的开发及其应用研究

细胞所处微环境的动态变化对细胞分化、细胞信号通路、个体生长以及疾病等有很大影响。光遗传学技术利用基因编码蛋白质表达并结合光控的手段为动态调控细胞信号通路、细胞定位和基因表达等方面提供了一种全新、无损、可逆、非侵入、时空特异性的研究手段。文中总结了光遗传学元件的类型以及涉及的细胞信号通路,并探讨了光控细胞信号通路的应用与未来发展前景。     

细菌启动子识别及应用研究进展

细菌启动子是细菌中基因表达的必需调控元件,决定了细菌基因表达的强度和时机。通过启动子的插入或缺失,可以改变细菌基因的表达,实现对菌体生长发育以及代谢调控的研究。启动子也是构建各种表达系统、实现异源基因表达的基础。启动子的识别和应用研究,对于实现异源基因的可控表达、有效获得目的产物、促进生物催化和代谢工程研究具有重要的意义。以下对细菌启动子进行了简单的介绍,总结了细菌启动子的识别方法,并对细菌启动子的研究进展和具体应用进行了概述。     

重组DNA技术中可诱导的基因表达调控系统

在重组DNA技术中,可诱导的基因表达调控系统可被用来调节目的基因的表达以达到基因功能研究、转基因动物研究、以及基因治疗研究等目的。该系统主要由诱导剂、可诱导的受体或转录因子、顺式作用元件以及载体系统四部分组成。本文以诱导剂为分类依据,叙述目前主要的6类可诱导的基因表达调控系统:类固醇激素受体诱导的基因表达调控系统、四环素诱导的基因表达调控系统、缺氧诱导的基因表达调控系统、高热诱导的基因表达调控系统、电离辐射诱导的基因表达调控系统和lac基因表达调控系统。     

光控诱导重组系统的开发与应用

位点特异性重组系统由重组酶和特异性识别位点两部分组成,是一种强大的基因操作工具,被广泛运用于生命科学研究。已开发的诱导型重组系统以时空方式精准调控细胞和动物的基因表达,被用于基因功能研究、细胞谱系示踪和疾病治疗等领域。根据诱导重组酶时空表达方式的不同,诱导型重组系统可分为化学诱导和光控诱导两种方式。光控诱导重组系统是利用光作为诱导剂,根据光控方式和对象的不同,可进一步分为光笼和光遗传学两类。光笼诱导重组系统是利用光敏基团来控制化学诱导剂或重组酶,光诱导前它们的活性被光敏基团抑制;在特定光照射后,它们的活性被恢复,进而实现光控诱导基因重组。光遗传学诱导重组系统是通过光遗传学开关介导分割型重组酶的重新激活来诱导基因重组。其中光遗传学开关由一系列基因编码的光敏蛋白组成,包括隐花色素、VIVID蛋白、光敏色素等。这些类型丰富的光控诱导重组系统为从高时空分辨率的维度解析基因的表达和功能提供了更多的工具,以满足日益复杂的生命科学研究需求。本文主要对不同类型光控诱导重组系统的开发原理及应用进行综述,比较其优缺点,最后对未来开发更多光控重组系统进行展望,旨在为系统优化升级提供理论基础和指导。     

仅基于RNA元件构建可诱导哺乳动物细胞基因表达的调控系统

大量的临床前和临床研究结果已表明基因治疗是理想的疾病治疗手段,然而如何实现治疗基因表达的精确调控仍然是研究人员面临的主要挑战。目前临床前研究常用的基因调控系统多基于控制转录,对反式转录激活因子和专门启动子元件的依赖限制了该系统的临床应用。最近,仅采用RNA元件构建的几种基因表达调控系统得到开发,其作用机制为核酶介导的RNA自我切割、RNA干扰、mRNA翻译启动或终止控制等。该类系统的调控活性由小分子配体反式控制,诱导基因表达的变化幅度可观,反应快速,在哺乳动物体内外均可实现。该系统结构模块化,调控活性可调节,可以克服现有转录调节系统的一些应用局限,对将来基因治疗的临床应用具有重要意义。     

一种新型的可诱导性基因表达系统：Tet—off／Tet—on基因表达系统

Ｔｅｔ－ｏｆｆ／Ｔｅｔ－ｏｎ基因表达系统是新近发展起来的高效,无毒,具有严密开／关功能的基因表达系统。自推出以来,在很多方面得到了广泛的应用,尤其是在基因的表达调控及基因治疗上。本文拟就Ｔｅｔ－ｏｆｆ／Ｔｅｔ－ｏｎ基因表达系统的基本工作原理以及主要应用作一综述。     

光遗传学技术用于调控细胞信号通路的研究

光遗传学技术结合蛋白的遗传学表达与激光的光控和成像,可实现对细胞内特定信号通路分子的快速激活与调控,在细胞生物学的研究中具有广阔的应用前景。至今为止,越来越多的光控元件被发现,它们具备不同的结构特征及光反应特性,极大的扩展了光遗传学技术的生物医学应用。该综述将对不同种类的光控元件及其应用于活细胞中信号通路调控的研究进行总结。     

基于四环素调控系统的病毒载体在基因治疗中的应用

基因治疗已经发展成为处理各种疾病的理想治疗模式.病毒载体是将基因递送到体内或体外的分裂和非分裂细胞的有效工具.病毒载体基因治疗在临床环境成功应用的一个重要问题是严谨和持续地调控基因表达.目前,已经报道的无毒且严谨的调控转基因表达系统中,四环素转录调控系统是在体内和体外研究最好而且高效的调控系统.Tet调控系统已经被编码在慢病毒属、腺病毒属、腺相关病毒属和逆转录病毒属,而且可以有效地对基因进行调控.将主要讨论已经在Tet调控系统调控下递送基因的主要载体系统及其在基因治疗上的应用.     

产Ⅱ类细菌素乳酸菌群体感应及其应用

群体感应(quorum sensing,QS)是微生物通过感知与细胞密度相关的信号分子的浓度来调控基因表达的一种行为。许多产Ⅱ类细菌素乳酸菌通过自诱导肽介导的QS系统调控其细菌素的合成。本文综述了乳酸菌Ⅱ类细菌素合成的QS调控现象、调控机制、QS系统组分以及QS的应用。产Ⅱ类细菌素乳酸菌QS的研究,必将为揭示发酵调控机理、调控发酵过程提供新的研究平台,为食品级基因表达系统的开发提供新的选择。     

染色质构象调控真核基因的表达

真核基因的表达受到各种顺式调控元件、反式作用因子、染色质DNA以及组蛋白表观遗传修饰等多因素、多层次的调控。染色质三维空间结构的变化在调控真核基因表达方面也发挥了至关重要的作用。染色质构象的变化一方面可以使增强子等调控元件与靶基因相互靠近,从而促进基因表达;同时也可能通过形成空间位阻结构阻碍调控元件作用于靶基因,抑制基因表达。虽然染色质结构变化调控真核基因表达的机制仍缺乏较为精确的分子模型,但在组蛋白修饰、核小体定位、染色体领域以及染色质间相互作用等表观遗传学研究中,已经发现有诸多证据支持染色质构象在真核基因表达调控中的重要地位。文章主要综述了染色质结构及其构象的变化等对真核基因表达调控的影响。     

细菌sRNA与群体感应系统相互作用研究进展

细菌s RNA是一类长度在40-500 nt之间的非编码RNA,在细菌细胞感应外界环境压力变化、控制基因表达方面发挥着重要的作用。本文综述了细菌s RNA与群体感应系统相互作用在调控基因表达方面的研究进展,对揭示细菌错综复杂的代谢调控过程,以及了解细菌对外界环境变化的响应机制具有十分重要的意义。     

昆虫基因表达的调控

昆虫的基因表达过程十分复杂,受多种调控因子的调节,随着分子生物学研究新技术在昆虫学上的应用,昆虫基因表达的调控也取得了较快进展,本文以一些特征清楚的系统为例,讨论昆虫基因表达调控的研究现状,旨在为其它昆虫表达的调控研究提供借鉴。     

动物基因工程三种诱导型表达系统及比较

诱导型基因表达系统已成为基因工程和病理学研究的重要工具。利用诱导型基因表达系统,可调控组织或细胞中重组基因在一定的时间里或一定的空间中表达,也能调控重组基因的表达水平。本文主要对近年来广泛应用的Cre/loxP、tet-off和tet-on三种诱导型基因表达系统的发展和应用进行综述。     

转基因动物与基因表达调控的研究

十余年来,随着转基因技术的快速发展,基因表达调控的转基因研究已逐渐开展。本文在下列几方面介绍了转基因动物技术在基因表达调控中的应用。转基因动物可作为在体内研究外源基因表达调控的“反应器”,例如研究酶对底物作用的种属特异性。可以精确研究ＤＮＡ顺式作用序列,探讨包括改变基因表达在内的组织和阶段特异性表达,增强子、内含子和核基质附着区的调节作用以及各基因间相互作用。转基因动物可研究发育中的时、空调节（如β－珠蛋白基因和同源异形盒基因）以及基因多级调节系统。通过同源重组得到基因缺陷动物（基因敲除动物）可探讨目的基因突变所致的异常表型以研究基因功能与调控。     

基于核糖开关的新型基因表达调控系统的应用

核糖开关是能对细胞环境的改变做出反应的顺式作用元件,通过改变自身的构象实现对基因表达的调控。基于核糖开关调控方式简洁,无需蛋白质参与,响应迅速,且自身片段小,结构简单,易于设计和改造等特性使其在生物医学领域体现出诸多应用优势。对核糖开关的结构,调节机理以及这种新型基因表达调控系统在基因治疗、抗生素新靶点的开发、病毒疫苗的安全控制、新型核糖选择器和生物体内传感器的应用进行了综述,旨为启示我国核糖开关的新型应用。     

四环素诱导调控表达系统的研究与应用

四环素(Tet)诱导调控表达系统是在大肠杆菌Tn10转座子中特异的Tet抗性操纵子基础上建立起来的一种用于诱导基因表达的调控系统。经过近几年来的发展,衍生出了Tet-on、Tet-off两套调控系统;随着对Tet诱导调控表达系统的改进,其对基因表达调控的严谨性、诱导效率及安全性等方面逐步得到改善,并被广泛应用于基础研究及体内外的实验治疗研究。此外Tet诱导调控系统与其他诱导调控体系及新兴技术的联合应用,为疾病的基因治疗研究提供有力的手段。     

基因治疗中的基因调控研究进展

基因治疗的目的是将导入的外源基因能够得到时序上、水平上的正确表达,其产物发挥治疗作用。目的基因表达的调控是影响基因治疗效果的一个重要因素。本文系统介绍了基因靶技术在基因治疗中的地位,提高逆转录病毒载体滴度的方法,逆转录病毒载体与目的基因序列的影响,反式激活提高目的基因应用以及对基因治疗中目的基因表达调控的展望。     

细菌双组分信号转导系统

细菌能感应外界环境各种不同信号,调控菌体内相关基因表达,以适应不断变化的环境。其中双组分信号转导系统广泛存在于各种原核生物中,其基本结构为一个组氨酸蛋白激酶和一个反应调节蛋白。由于双组分系统在结构和作用机制上与人类细胞的信号转导系统有本质的不同,因而在抗微生物感染方面有着诱人的应用前景。