Mô hình toán học về sự khởi đầu phiên dịch để ước lượng hiệu suất của nó nhằm thiết kế mRNA với mức biểu hiện mong muốn ở vi khuẩn.

BMC Systems Biology - Tập 4 Số 1 - 2010
Dokyun Na1, Sunjae Lee1, Doheon Lee1
1Department of Bio and Brain Engineering, KAIST, 335-Gwahangno, Yuseong-gu, Daejeon, 305-701, Republic of Korea

Tóm tắt

Tóm tắt Đặt vấn đề Trong lĩnh vực sinh học tổng hợp đang nổi lên, các mô hình kỹ thuật gần đây đã được sử dụng để thiết kế các hệ thống sinh học với chức năng mới. Một trong những thách thức thiết yếu cản trở việc xây dựng những hệ thống như vậy là cần phải tối ưu hóa chính xác mức biểu hiện protein để đảm bảo hoạt động ổn định. Tuy nhiên, việc thiết kế các chuỗi mRNA để biểu hiện với mức protein mục tiêu là rất khó khăn, vì chỉ cần vài thay đổi nucleotide xung quanh codon khởi đầu có thể thay đổi hiệu suất phiên dịch và làm thay đổi đáng kể (lên tới 250 lần) mức biểu hiện protein. Các nghiên cứu trước đây đã sử dụng những phương pháp ad hoc (ví dụ: đột biến ngẫu nhiên) để đạt được những hiệu suất phiên dịch mong muốn cho các chuỗi mRNA. Do đó, việc phát triển một phương pháp toán học có khả năng ước lượng hiệu suất phiên dịch sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho việc thiết kế các chuỗi mRNA trong tương lai nhằm đạt được mức biểu hiện protein mong muốn. Kết quả Chúng tôi đề xuất một mô hình toán học tập trung vào sự khởi đầu phiên dịch, là bước giới hạn tốc độ trong phiên dịch. Mô hình sử dụng động lực học gấp nếp mRNA và động lực học gắn ribosome để ước lượng hiệu suất phiên dịch chỉ từ thông tin chuỗi mRNA. Chúng tôi đã xác nhận tính khả thi của mô hình này bằng cách sử dụng dữ liệu biểu hiện đã báo cáo trước đó về protein vỏ MS2. Để xác nhận thêm, chúng tôi đã sử dụng mô hình của mình để thiết kế 22 chuỗi mRNA luxR được dự đoán có hiệu suất phiên dịch đa dạng, dao động từ 10-5 đến 1. Mức biểu hiện của các chuỗi này được đo trong Escherichia coli và cho thấy có tương quan cao (R 2 = 0.87) với các hiệu suất phiên dịch ước lượng của chúng. Hơn nữa, chúng tôi đã sử dụng phương pháp tính toán của mình để biến đổi thành công một chuỗi mRNA DsRed2 có mức biểu hiện thấp thành một chuỗi mRNA có mức biểu hiện cao bằng cách tối đa hóa hiệu suất phiên dịch của nó thông qua việc điều chỉnh chỉ tám nucleotide ở phía thượng nguồn của codon khởi đầu. Kết luận Chúng tôi mô tả một mô hình toán học sử dụng thông tin chuỗi mRNA để ước lượng hiệu suất phiên dịch. Mô hình này có thể được sử dụng để thiết kế các chuỗi mRNA phù hợp nhất có mức biểu hiện protein mong muốn, qua đó tạo điều kiện cho việc sản xuất protein quá mức trong sinh học công nghệ hoặc tối ưu hóa mức biểu hiện protein cần thiết cho việc xây dựng các mạng lưới ổn định trong sinh học tổng hợp.

Từ khóa


Tài liệu tham khảo

Brent R: A partnership between biology and engineering. Nat Biotech. 2004, 22 (10): 1211-1214. 10.1038/nbt1004-1211.

Ball P: Synthetic biology: Starting from scratch. Nature. 2004, 431 (7009): 624-626. 10.1038/431624a

Ferber D: Synthetic biology: Microbes made to order. Science. 2004, 303 (5655): 158-161. 10.1126/science.303.5655.158

Benner SA, Sismour AM: Synthetic biology. Nat Rev Genet. 2005, 6 (7): 533-543. 10.1038/nrg1637

Chaves M, Albert Ra, Sontag ED: Robustness and fragility of Boolean models for genetic regulatory networks. J Theor Biol. 2005, 235 (3): 431-449. 10.1016/j.jtbi.2005.01.023

Lipniacki T, Paszek P, Marciniak-Czochra A, Brasier AR, Kimmel M: Transcriptional stochasticity in gene expression. J Theor Biol. 2006, 238 (2): 348-367. 10.1016/j.jtbi.2005.05.032

Pfleger BF, Fawzi NJ, Keasling JD: Optimization of DsRed production in Escherichia coli: Effect of ribosome binding site sequestration on translation efficiency. Biotechnol Bioeng. 2005, 92 (5): 553-558. 10.1002/bit.20630

Chernak JM, Hamilton OS: Use of synthetic ribosome binding site for overproduction of the 5B protein of Insertion sequence IS5. Nucleic Acids Res. 1989, 17 (5): 1933-1951. 10.1093/nar/17.5.1933

Zhang J, Deutscher MP: A uridine-rich sequence required for translation of prokaryotic mRNA. Proc Natl Acad Sci USA. 1992, 89 (7): 2605-2609. 10.1073/pnas.89.7.2605

Kudla G, Murray AW, Tollervey D, Plotkin JB: Coding-sequence determinants of gene expression in Escherichia coli. Science. 2009, 324 (5924): 255-258. 10.1126/science.1170160

Burgess-Brown NA, Sharma S, Sobott F, Loenarz C, Oppermann U, Gileadi O: Codon optimization can improve expression of human genes in Escherichia coli: A multi-gene study. Protein Expr Purif. 2008, 59 (1): 94-102. 10.1016/j.pep.2008.01.008

Zhang W, Xiao W, Wei H, Zhang J, Tian Z: mRNA secondary structure at start AUG codon is a key limiting factor for human protein expression in Escherichia coli. Biochem Biophys Res Comm. 2006, 349 (1): 69-78. 10.1016/j.bbrc.2006.07.209

Yokobayashi Y, Weiss R, Arnold FH: Directed evolution of a genetic circuit. Proc Natl Acad Sci USA. 2002, 99 (26): 16587-16591. 10.1073/pnas.252535999

Haseltine EL, Arnold FH: Synthetic gene circuits: Design with directed evolution. Annu Rev Bioph Biom. 2007, 36 (1): 1-19. 10.1146/annurev.biophys.36.040306.132600.

Min KT, Kim MH, Lee DS: Search for the optimal sequence of the ribosome binding site by random oligonucleotide-directed mutagenesis. Nucleic Acids Res. 1988, 16 (11): 5075-5088. 10.1093/nar/16.11.5075

Zhelyabovskaya OB, Berlin YA, Birikh KR: Artificial genetic selection for an efficient translation initiation site for expression of human RACK1 gene in Escherichia coli. Nucleic Acids Res. 2004, 32 (5): e52- 10.1093/nar/gnh050

Anderson JC, Clarke EJ, Arkin AP, Voigt CA: Environmentally controlled invasion of cancer cells by engineered bacteria. J Mol Biol. 2006, 355 (4): 619-627. 10.1016/j.jmb.2005.10.076

Laursen BS, Sorensen HP, Mortensen KK, Sperling-Petersen HU: Initiation of protein synthesis in bacteria. Microbiol Mol Biol Rev. 2005, 69 (1): 101-123. 10.1128/MMBR.69.1.101-123.2005

Jacques N, Dreyfus M: Translation initiation in Escherichia coli: old and new questions. Mol Microbiol. 1990, 4 (7): 1063-1067. 10.1111/j.1365-2958.1990.tb00679.x

Iserentant D, Fiers W: Secondary structure of mRNA and efficiency of translation initiation. Gene. 1980, 9 (1-2): 1-12. 10.1016/0378-1119(80)90163-8

Looman AC, Bodlaender J, de Gruyter M, Vogelaar A, van Knippenberg PH: Secondary structure as primary determinant of the efficiency of ribosome binding sites in Escherichia coli. Nucleic Acids Res. 1986, 14 (13): 5481-5497. 10.1093/nar/14.13.5481

Schottel JL, Sninsky JJ, Cohen SN: Effects of alterations in the translation control region on bacterial gene expression: use of cat gene constructs transcribed from the lac promoter as a model system. Gene. 1984, 28 (2): 177-193. 10.1016/0378-1119(84)90255-5

de Smit MH, van Duin J: Secondary structure of the ribosome binding site determines translational efficiency: A quantitative analysis. Proc Natl Acad Sci USA. 1990, 87 (19): 7668-7672. 10.1073/pnas.87.19.7668

Schurr T, Nadir E, Margalit H: Identification and characterization of E.coli ribosomal binding sites by free energy computation. Nucleic Acids Res. 1993, 21 (17): 4019-4023. 10.1093/nar/21.17.4019

Habib NF, Jackson MP: Roles of a ribosome-binding site and mRNA secondary structure in differential expression of Shiga toxin genes. J Bacteriol. 1993, 175 (3): 597-603.

Makrides SC: Strategies for achieving high-level expression of genes in Escherichia coli. Microbiol Rev. 1996, 60 (3): 512-538.

Coleman J, Inouye M, Nakamura K: Mutations upstream of the ribosome-binding site affect translational efficiency. J Mol Biol. 1985, 181 (1): 139-143. 10.1016/0022-2836(85)90332-8

Wang G, Liu NJ, Yang KY: High-level expression of prochymosin in Escherichia coli: Effect of the secondary structure of the ribosome binding site. Protein Expr Purif. 1995, 6 (3): 284-290. 10.1006/prep.1995.1037

Kaminishi T, Wilson DN, Takemoto C, Harms JM, Kawazoe M, Schluenzen F, Hanawa-Suetsugu K, Shirouzu M, Fucini P, Yokoyama S: A snapshot of the 30S ribosomal subunit capturing mRNA via the Shine-Dalgarno interaction. Structure. 2007, 15 (3): 289-297. 10.1016/j.str.2006.12.008

Culver GM: Meanderings of the mRNA through the ribosome. Structure. 2001, 9 (9): 751-758. 10.1016/S0969-2126(01)00649-9

Ringquist S, MacDonald M, Gibson T, Gold L: Nature of the ribosomal mRNA track: Analysis of ribosome-binding sites containing different sequences and secondary structures. Biochemistry. 1993, 32 (38): 10254-10262. 10.1021/bi00089a048

Takanami M, Zubay G: An estimate of the size of the ribosomal site for messenger RNA binding. Proc Natl Acad Sci USA. 1964, 51 (5): 834-839. 10.1073/pnas.51.5.834

de Smit MH, van Duin J: Translational initiation on structured messengers: Another role for the shine-dalgarno interaction. J Mol Biol. 1994, 235 (1): 173-184. 10.1016/S0022-2836(05)80024-5

Mathews DH: Using an RNA secondary structure partition function to determine confidence in base pairs predicted by free energy minimization. RNA. 2004, 10 (8): 1178-1190. 10.1261/rna.7650904

Uemura S, Dorywalska M, Lee TH, Kim HD, Puglisi JD, Chu S: Peptide bond formation destabilizes Shine-Dalgarno interaction on the ribosome. Nature. 2007, 446 (7134): 454-457. 10.1038/nature05625

Jaeger JA, Turner DH, Zuker M: Improved predictions of secondary structures for RNA. Proc Natl Acad Sci USA. 1989, 86 (20): 7706-7710. 10.1073/pnas.86.20.7706

Zuker M, Stiegler P: Optimal computer folding of large RNA sequences using thermodynamics and auxiliary information. Nucleic Acids Res. 1981, 9 (1): 133-148. 10.1093/nar/9.1.133

Markham NR, Zuker M: DINAMelt web server for nucleic acid melting prediction. Nucleic Acids Res. 2005, 33 (suppl_2): W577-581. 10.1093/nar/gki591

Zuker M: Mfold web server for nucleic acid folding and hybridization prediction. Nucleic Acids Res. 2003, 31 (13): 3406-3415. 10.1093/nar/gkg595

Takyar S, Hickerson RP, Noller HF: mRNA helicase activity of the ribosome. Cell. 2005, 120 (1): 49-58. 10.1016/j.cell.2004.11.042

van Himbergen J, van Geffen B, van Duin J: Translational control by a long range RNA-RNA interaction; a basepair substitution analysis. Nucl Acids Res. 1993, 21 (8): 1713-1717. 10.1093/nar/21.8.1713

Jou W, Haegeman G, Ysebaert M, Fiers W: Nucleotide sequence of the gene coding for the bacteriophage MS2 coat protein. Nature. 1972, 237: 82-88. 10.1038/237082a0

Shine J, Dalgarno L: The 3'-terminal sequence of Escherichia coli 16S ribosomal RNA: Complementarity to nonsense triplets and ribosome binding sites. Proc Natl Acad Sci USA. 1974, 71 (4): 1342-1346. 10.1073/pnas.71.4.1342

Osada Y, Saito R, Tomita M: Analysis of base-pairing potentials between 16S rRNA and 5' UTR for translation initiation in various prokaryotes. Bioinformatics. 1999, 15 (7): 578-581. 10.1093/bioinformatics/15.7.578

Gralla JD, Carpousis AJ, Stefano JE: Productive and abortive initiation of transcription in vitro at the lac UV5 promoter. Biochemistry. 1980, 19 (25): 5864-5869. 10.1021/bi00566a031

Bernstein JA, Khodursky AB, Lin PH, Lin-Chao S, Cohen SN: Global analysis of mRNA decay and abundance in Escherichia coli at single-gene resolution using two-color fluorescent DNA microarrays. Proc Natl Acad Sci USA. 2002, 99 (15): 9697-9702. 10.1073/pnas.112318199

Selinger DW, Saxena RM, Cheung KJ, Church GM, Rosenow C: Global RNA half-life analysis in Escherichia coli reveals positional patterns of transcript degradation. Genome Res. 2003, 13 (2): 216-223. 10.1101/gr.912603

Yun HS, Hong J, Lim HC: Regulation of ribosome synthesis in Escherichia coli Effects of temperature and dilution rate changes. Biotechnol Bioeng. 1996, 52 (5): 615-624. 10.1002/(SICI)1097-0290(19961205)52:5<615::AID-BIT9>3.0.CO;2-M

Cai L, Friedman N, Xie XS: Stochastic protein expression in individual cells at the single molecule level. Nature. 2006, 440 (7082): 358-362. 10.1038/nature04599

Komarova A, Tchufistova L, Dreyfus M, Boni I: AU-rich sequences within 5'untranslated leaders enhance translation and stabilize mRNA in Escherichia coli. J Bacteriol. 2005, 187 (4): 1344- 10.1128/JB.187.4.1344-1349.2005

Chubiz L, Rao C: Computational design of orthogonal ribosomes. Nucleic Acids Res. 2008, 36 (12): 4038- 10.1093/nar/gkn354

Ringquist S, Shinedling S, Barrick D, Green L, Binkley J, Stormo GD, Gold L: Translation initiation in Escherichia coli: sequences within the ribosome-binding site. Mol Microbiol. 1992, 6 (9): 1219-1229. 10.1111/j.1365-2958.1992.tb01561.x

Miller J: Experiments in molecular genetics. 1972, New York: Cold Spring Harbor Laboratory Press,

Salis HM, Mirsky EA, Voigt CA: Automated design of synthetic ribosome binding sites to control protein expression. Nat Biotech. 2009, 27 (10): 946-950. 10.1038/nbt.1568.

Gottesman S: The small RNA regulators of Escherichia coli: Roles and mechanisms. Annu Rev Microbiol. 2004, 58 (1): 303-328. 10.1146/annurev.micro.58.030603.123841

Altuvia S, Kornitzer D, Teff D, Oppenheim AB: Alternative mRNA structures of the cIII gene of bacteriophage λ determine the rate of its translation initiation. J Mol Biol. 1989, 210 (2): 265-280. 10.1016/0022-2836(89)90329-X

Thông tin
Thông tin xuất bản

BMC Systems Biology

Tập 4 Số 1

Thông tin tác giả