人工基因回路设计原理的进展与挑战

人工基因回路是在生命体中设计的"细胞信息处理器",可以按照理论预测功能完成对生命体内外环境信号的动态感应与信息整合,并控制细胞个体与细胞群体的代谢、稳态和发育分化行为.由于生命体是微体积、高噪声、非线性的动态复杂系统,而且面临生态竞争和进化变异等生物特有因素,因此基因线路设计的对象是可进化的复杂反馈系统,需要利用定性或...     

哺乳动物合成生物学在生物医学领域的研究进展

虽然合成生物学还处于早期研究阶段,但最近十年,该领域取得了非常显著的研究进展。合成生物学是以工程学思想为基础,通过人工设计、改造基因线路,从而赋予细胞或生物体新的功能,现已广泛应用于各个领域。随着人们对基因线路设计的深入研究,使得合成生物学研究走向临床应用成为可能。本文将围绕哺乳动物合成生物学在疾病治疗方面的研究进展,介绍基因线路的设计思路和方法、不同诱导因子调控的开环式基因线路以及用于疾病诊疗的闭环式基因环路在生物医学领域的应用。最后对合成生物学走向临床治疗的应用前景和挑战进行展望。     

合成生物学的医学应用

合成生物学旨在基于工程学原理,通过人工合成生物调控元件、模块和基因调控网络等对细胞进行设计和改造,以实现细胞和生命体的定向演化。在医学研究中,合成生物学主要采用人工设计合成治疗性的基因回路,制备工程化细胞植入体内,纠正机体已发生缺陷的生物调控元件,以达到治疗疾病的目的。本文对合成生物学的兴起、发展及其在医学中的应用和研究进展进行了综述。     

《细胞》：研究开发出细胞重新编程新方法

据物理学家组织网近日报道，美国波士顿大学和哈佛医学院、马萨诸塞州总医院合作。开发出一种给细胞重新编程、设计基因线路的新方法，能大大增加基因”零件”的数量，构建更大更复杂的基因网络。相关论文在线发表于8月2日的《细胞》（Cell）杂志上。     

合成基因线路规模化设计面临的挑战

随着合成基因线路规模的增加,传统的合成基因线路设计思路的瓶颈逐渐凸显,许多之前被忽略的因素对大规模基因线路的性能可能造成显著影响,这对合成基因线路的设计带来了新的挑战。本文重点梳理了基因表达噪声和竞争效应两方面对基因线路性能的影响,阐释了二者间的紧密联系,并基于理性设计的思路,从模拟-数字运算设计、网络拓扑设计、基因线路中的信息传递理论和动态信号等方面,归纳总结了解决这些问题的潜在方案,并展望了规模化合成基因线路理性设计的未来发展方向。     

生物体系的多层次计算设计与合成生物学

合成生物学的核心思想是将现代工程学的原理与方法引入对生命系统的改造和构建中.生命活动覆盖从分子到细胞再到有机体等不同层次.合成生物学研究同样跨越了多个层次,例如,在分子层次进行生物元件和器件的设计和标准化、通过合成基因线路研究生物网络的设计和调控原理、在途径和网络层次进行细胞内代谢网络和代谢途径的人工设计改造等.本文一方面试图对与此有关的既有计算机模拟与设计方法加以总结和介绍,另一方面探讨这些不同层次的计算模拟与设计工具可应用于哪些方面的合成生物学问题,以及既有方法可能在哪些方向上还有比较大的发展潜力,能更好满足合成生物学研究需求.     

通过合成基因线路实现细胞分类

合成生物学是生物学与工程学结合的新兴学科,通过人工将生物元器件组合成线路引入细胞,使细胞获得对信息进行处理并做特定输出的新功能。近年来,针对疾病治疗的合成生物学研究发展迅猛,基因线路的工程化特性使通过它对疾病进行更精确、灵活的干预成为可能,在基因治疗中有广泛的应用前景。精确干预的前提是综合多种输入信号并识别出特定种类的细胞,如特异性识别出癌细胞的溶瘤病毒。疾病的发生往往伴随着细胞内多种调控网络的改变,从中提取出关键信号分子作为基因线路的输入至关重要。现综述哺乳动物细胞中对不同的信号输入进行感知的基因线路细胞分类器,为未来模块化整合信号输入、设计基因线路提供新的思路。     

基于CRISPR/Cas9技术敲除SAMHD1肝癌细胞系的构建及对增殖的影响

运用CRISPR/Cas9基因编辑技术,建立SAMHD1基因敲除的Huh7细胞系,并检测敲除SAMHD1基因后对人肝癌细胞Huh7细胞增殖的影响.针对SAMHD1基因作用的功能区域,设计靶向SAMHD1的小向导sgRNA(Small Guide RNA).构建lentiCRISPRv2-SAMHDl-gRNA重组质粒转化后测序.筛选稳定敲除SAMHD1的稳定细胞系并测序鉴定.采用克隆形成实验分析基因SAMHD1敲除后肝癌细胞Huh7细胞的增殖能力.测序结果显示lentiCRISPRv2-SAMHDl-gRNA载体构建成功.Western blot结果和测序结果表明成功构建敲除SAMHD1的Huh7稳定细胞系.克隆形成实验结果表明,相对于Huh7-WT细胞,Huh7-KO SA-MHD1的细胞增殖能力增强(P＜0.01).成功构建基于CRISPR/Cas9技术敲除SAMHD1基因的Huh7细胞系,SAMHD1的表达缺失促进肝癌细胞的增殖.     

酿酒酵母基因编辑技术研究进展

酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae是代谢工程中最重要的宿主之一,先进的基因编辑技术已经被广泛应用于酿酒酵母细胞工厂的设计和构建.随着基因编辑技术的飞速发展,早期基于重组酶和同源重组的基因编辑技术逐渐被新型基因编辑系统所替代.文中对酿酒酵母基因编辑技术的原理和应用进行了总结,包括经典的酿酒酵母基因编...     

BPOZ基因剔除小鼠模型的建立

BPOZ是在卵巢癌等肿瘤组织中表达下调的细胞生长抑制基因,建立BPOZ基因剔除小鼠模型,可以为在体研究BPOZ基因的生物学功能及其与肿瘤发生的关系创造条件.运用生物信息学手段确定小鼠BPOZ基因组序列,设计基因剔除策略,构建完成了基因剔除载体XpPNT-BPOZ.以电穿孔方法将基因剔除载体导入ES细胞,用G418和Ganciclovoir进行正负筛选,获得抵抗克隆,PCR和DNA印迹鉴定出正确同源重组的ES细胞克隆.将同源重组的ES细胞注入小鼠囊胚,获得嵌合体小鼠.嵌合体小鼠与C57BL/6J小鼠交配后获得Aguoti毛色的小鼠30只,其中15只为BPOZ基因剔除杂合子小鼠,阳性率为50%.在雌雄杂合子交配的后代中获得纯合子小鼠.初步的表型观察发现BPOZ基因剔除小鼠发育正常,有繁殖能力,进一步的表型分析工作正在进行之中.     

逆病毒载体介导双耐药基因在脐血CD34+细胞中的表达和抗性研究

为探讨转染醛脱氢酶基因(ALDHl)和多药耐药基因(MDRl)的人脐血CD34+细胞能否同时增强对活性环磷酰胺(4-HC)和MDRl基因靶药的抗性,构建了同时含ALDHl和MDRl双耐药基因的逆转录病毒表达质粒GlNa-ALDHl-IRES-MDRl,经LipofectAMINE介导转染GP+E86和PA317包装细胞,采用含长春新碱(VCR)和4-HC的培养基克隆选择后收集重组病毒上清于单向型GP+E86与双嗜型PA317包装细胞行乒乓交互感染,获得PA317重组病毒生产细胞(最高滴度达5.6×105CFU／ml),将含ALDHl和MDRl双耐药基因重组病毒的上清在细胞生长因子刺激下重复感染人脐血CD34+细胞,用PCR、RT-PCR、Southernblot、Northernblot、FACS和MTT等方法检测外源ALDHl与MDRl基因在CD34+细胞中的转移和表达。结果显示逆转录病毒载体介导的双耐药基因已经整合人转染靶细胞基因组并获得有效表达,同时传递不同的耐药表型。经双耐药基因修饰的脐血CD34+细胞对4-HC和VCR药物同时产生抗性,其IC50值分别比未转染细胞高4倍和7.2倍,本研究为开展肿瘤基因治疗的临床研究奠定了实验基础。     

nm23-H1基因转染L9981肺癌细胞前后基因表达谱的变化

应用基因芯片检测L9981细胞转染nm23-H1基因前后细胞基因表达谱的改变.提取L9981细胞转染nm23-H1基因前后细胞的总RNA,纯化为mRNA后再转录为cDNA.cDNA经限制性内切酶Sau3AI消化后,cDNA片段分别用cy3和cy5标记,与定制的包含14000个基因芯片杂交.杂交结果经扫描和软件分析,nm23-H1基因转染L9981细胞后发现1156(8.26%,1156/14000)个基因表达上调,而642(4.59%,642/14000)个基因表达下调.涉及基因包括信号传导、癌基因与抑癌基因、转移相关基因、细胞周期与凋亡、细胞外基质与细胞骨架相关基因,以及细胞因子和转录因子等.nm23-H1基因是通过对转移相关基因的调节来发挥其抑制肺癌细胞株L9981侵袭和转移作用的.     

人工基因元件的生理学研究进展

按照工程学原理人工设计的基因元件应该是模块化的,同时具备可预测地组装和再利用的属性。然而,真正的细胞生理条件下各种层次的生理干涉效应会严重地阻碍人工基因元件的功能性组装,即大多数组装后的人工系统完全或部分丧失预设功能。我们提出合成生理学的概念,将其定义为研究和控制人工生命系统与底盘细胞生理系统相互作用的合成生物学分支领域。在此框架下,本文归纳了细胞生理系统与人工基因元件的相互干涉方式,并对表征和消除这种相互作用的技术方法和设计策略进行综述。     

基因共表达网络分析揭示马铃薯薯块发育特征及原始抗性

转录组测序(RNA-seq)技术提供的全基因组数据信息已广泛应用于研究多个样本之间的基因表达模式和调控机制.通过构建种间或种内基因共表达网络(GCNs)挖掘的表达相关基因在功能上通常是相似的.对于马铃薯(Solanum tuberosum)而言,目前有大量的公共转录组测序数据,但是缺乏针对这些高通量数据构建的GCN网络,因此也无法探索在不同基因型、不同组织以及不同环境条件下基因的表达模式及规律.本研究选取16个公共转录组测序数据库构建了 GCN网络,这些数据库涵盖了来自全球各地的11个马铃薯栽培种.基于两两间基因表达相关性,我们在GCN网络中发现了一些具有特定生物学意义的基因模块.该网络共由14个基因模块组成并富集到植物光合形态建成、薯块休眠解除等多个生理过程,其中一个模块的134个基因在原始栽培种(ssp.Andigena)中特异性高表达,且通过功能富集发现这些基因与马铃薯病害和逆境的抗性相关.该结果揭示了在马铃薯人工驯化期间基因进化压力出现遗传漂移.本研究中基于GCN网络分析揭示了马铃薯种间和种内基因共表达模块的聚类以及不同模块基因间在进化上的分化,为马铃薯基因功能研究提供了新的视角.     

利用线粒体膜电位测定筛选参与细胞凋亡的人类新基因

细胞凋亡(apoptosis)属于细胞程序化死亡(programmed cell death),是细胞内涉及到许多生化反应的复杂过程.建立了基于细胞水平的凋亡筛选模型,用于筛选人类基因组中功能未知的序列,以发现与细胞凋亡相关的新基因.通过构建人类未知基因的表达文库,并将未知基因表达载体瞬时转染HeLa细胞,用阳离子染料JC-1标记HeLa细胞线粒体内膜并检测线粒体跨膜电位,用流式细胞术进行阳性结果的验证.经过对未知基因表达文库内600个新基因的筛选,得到7个线粒体跨膜电位下降相关新基因(CHMP6、CGI-38、hCAP-H2、NUDT16L1、ARMC1、PHF17和FLJ21103),经实验验证,其中3个基因(CHMP6、CGI-38和hCAP-H2)与细胞凋亡相关.结果表明,所建立的基于细胞的凋亡筛选模型稳定高效,3个细胞凋亡相关基因将被进行深入研究.     

哺乳动物抑制型转录因子及启动子对的全新设计与构建

转录因子及启动子是基因回路的基础。相较于原核启动子,真核启动子作用机制复杂,增加了全新设计与改造的难度。目前有限数量的真核转录因子及启动子成为在哺乳动物细胞中设计并实现复杂基因回路以满足各类临床或工业应用需求的瓶颈。文中介绍了基于能够结合特定DNA序列的DNA结合结构域,通过柔性连接肽连接到转录抑制模块KRAB,构建抑制型转录因子以及通过在SV40启动子下游插入结合序列构建对应启动子的方法。而后,在哺乳动物细胞系中通过流式细胞术对其抑制转录的强度、不同转录因子及启动子对之间的正交性进行了测定。文中提供了一套标准化的、可调节的转录因子及启动子的全新设计与构建方案。基于该方案所构建的5对抑制型转录因子及启动子对能够在哺乳动物细胞中起到不同程度的抑制效果且相互正交。文中构建的哺乳动物转录因子及启动子对扩充了哺乳动物生物元件库,为构建复杂真核基因回路打下了基础;运用该设计方法能够根据需求构建更多正交的人工转录因子及启动子对。     

逆转录病毒载体介导MGMT和MDR1基因增强人脐血CD34+细胞对联合化疗抗性的研究

为探讨转染六氧甲基鸟嘌呤DNA甲基转移酶基因(MGMT)和多药耐药基因(MDR1)的人脐血CD34+细胞能否同时增强对卡氮芥(BCNU)和MDR1基因靶药的抗性,应用逆转录一聚合酶链反应(RT-PCR)从人肝组织中获得编码六氧甲基鸟嘌呤-DNA-甲基转移酶(MGMT)cDNA,构建双顺反子逆转录病毒载体G1Na-MGMT-IRES-MDR1,以电穿孔介导的基因转移法导入GP+E86和PA317病毒包装细胞,采用含BCNU和长春新碱(VCR)的培养基克隆选择后收集重组病毒上清于单向型GP+E86与双嗜型PA317包装细胞行乒乓交互感染,将含MGMT和MDR1双耐药基因重组病毒的上清在细胞生长因子刺激下重复感染经免疫磁珠分离系统(MACS)分离纯化后的人脐血CD34+细胞,用PCR,RT-PCR,Southern blot,Northern blot,FACS和MTT等方法检测外源MGMT与MDR1基因在CD34+细胞中的转移和表达.结果显示,DNA测序及酶切鉴定证实MGMTcDNA克隆和双顺反子逆转录病毒载体构建的正确性,MACS分离纯化后的人脐血CD34+细胞纯度平均达92%,回收率为75%,含双耐药基因重组病毒的上清最高滴度为5.8×105 cfu/ml,逆转录病毒载体介导的双耐药基因已整合入转染靶细胞中基因组并获得有效表达,同时传递不同的耐药表型,应用集落计数、PCR方法测定基因转导效率分别为18%和20%,巢式PCR及补救分析均未检测到辅助病毒存在,经双耐药基因修饰的脐血CD34+细胞对BCNU的IC50较对照组提高4.5倍,对VCR,柔红霉素(DNR)和秋水仙碱(COL)的IC50较未转染细胞分别高7.8,6.6和5.5倍.本研究对降低联合化疗骨髓毒性作用的肿瘤临床研究奠定了实验基础.     

冬虫夏草菌3个细胞核蛋白编码基因的分子进化

【目的】分析3个细胞核蛋白编码基因(csp1、MAT1-1-1和MAT1-2-1)在不同冬虫夏草菌株间的分子进化。【方法】从125个冬虫夏草样品中分别扩增csp1、MAT1-1-1和MAT1-2-1基因序列,比较外显子和内含子间以及2个交配型基因间的序列变异程度,比较基于不同基因或基因区域所构建的系统发育树拓扑结构的差异,分析3个基因承受的选择压力和DNA重组情况。【结果】3个蛋白编码基因外显子区的长度在不同菌株间高度保守,具有4.5%?5.7%的变异位点;内含子区的长度在不同菌株间相同或不同,具有1.8%?22%的变异位点。对于2个交配型基因,MAT1-1-1的碱基变异率低于MAT1-2-1。基于外显子与内含子构建的系统发育树的拓扑结构,以及基于2个交配型基因外显子构建的系统发育树的拓扑结构都存在明显差异。3个蛋白编码基因都经历着净化选择作用。基因内部的不同DNA位点间有重组,但3个基因片段之间没有明显的重组发生。【结论】由于冬虫夏草菌不同基因以及基因的不同区域表现出进化上的差异,所以在开展冬虫夏草菌进化相关的研究时,应该联合使用多个不同的基因片段。     

Spl基因RNA干扰载体的构建及鉴定

目的:构建干扰载体pSilencer 3.1-spl,并初步研究其对Spl基因的干扰作用.方法:根据Spl cDNA编码序列,设计并合成针对Spl基因的特异性RNA干扰片段,并将其克隆入pSilencer 3.1-Hl neo干扰载体中,构建Spl基因小干扰RNA(siRNA)真核表达载体pSilencer 3.1-Spl;分别将阴性对照载体pSilencer 3.1与重组载体pSilencer 3.1-Spl经脂质体LipofectAMINE2000介导转染HeLa细胞,采用RT-PCR、Western blot方法分别检测Spl基因的转录与表达水平.结果:构建了Spl基因siRNA真核表达载体pSilencer 3.1-Spl,经酶切、测序鉴定证实克隆正确,并在mRNA水平和蛋白水平证实了载体的干扰效果.结论:特异性siRNA能明显抑制Spl基因在HeLa细胞中的表达,为进一步研究Spl的生物学功能和作用机制奠定了实验基础.     

玉米叶绿体表达载体的构建及AsRED基因原核表达

从玉米幼嫩叶片中提取玉米叶绿体基因DNA,通过PCR克隆出叶绿体同源重组片段trnA和trnI、叶绿体特异性启动子Prrn以及终止子psbA.构建玉米叶绿体表达载体pBAIRTARED,含有一个人工操纵子,其中,筛选标记基因aadA和红色荧光蛋白报告基因AsRED处于Prrn启动子和psbA终止子控制.将构建的载体转化大肠杆菌BL21（DE3）,观测到重组细胞呈现红色,表明构建的载体可以用于玉米叶绿体转化以及表达报告基因.