【《检测基因电路基础研究概述》5800字】

检测基因电路基础研究概述目录TOC\o"1-3"\h\u3445检测基因电路基础研究概述 1282031.1基因电路基本原理和模型的建立 2171321.2反相器 45601.2.1原理 4259171.1.2SBML模型及仿真 633871.3或门逻辑 7181141.3.1原理 8222301.3.2SBML模型及仿真 9156341.4与门逻辑 1086161.4.1原理 10240531.4.2SBML模型及仿真 1169311.5脑卒中标志物的选择 12本章对基因电路的基本原理进行介绍，对已经建立好的基因电路元件进行分析，通过对电路元件的分析，为后续章节将其优化至达到检测电路要求水平奠定基础。基因电路的运行过程就是基因表达的一系列过程，不仅包括转录、翻译过程，还包含蛋白质或转录因子等对基因表达进行调控的过程。对特定基因的表达，合理地利用这些生化分子进行调控，并将一系列基因表达人为地组合起来，形成一个完整生化反应链，就建立了具备特定逻辑功能地基因电路。本章中介绍了反相器、与门和或门基因电路元件的原理和结构，并建立其SBML模型。对于SBML模型，本文使用iBiosim软件中对模型进行仿真。iBiosim软件为基因电路的建模、分析提供了一个十分便捷的集成环境，仿真分析方法丰富、参数设置快捷，仿真结果与实际结果较为吻合，且支持SBML模型语言。本文采用iBiosim中的ODE方法对模型进行分析。ODE分析是目前基因电路与合成生物学中生化反应的常用分析方法，可以精确模拟连续变化的反应过程和各化学量的浓度。通过软件仿真，能实现可视化地展示基因电路元件的系统响应及其在输入输出关系上与数字电路的相似性，且使得通过考察仿真结果来优化电路特性较为方便。同时为后文利用基因电路元件的组合实现更为复杂的逻辑电路提供了依据。1.1基因电路基本原理和模型的建立本节将对基因的表达及其调控过程进行抽象和建模，其中，建立的模型包括ODE模型和SBML模型。SBML，即系统生物学标记语言，是合成生物学和基因电路设计的标准语言，可以精确描述生物化学系统的反应过程。基因表达，是指遗传物质通过一系列生化反应过程将携带的遗传信息转化为特定产物的过程。遗传物质包括DNA和RNA，遗传信息就储存在遗传物质中，基因表达的产物包括RNA和蛋白质，生化反应过程包括转录、翻译和调控过程。当转录因子与DNA双螺旋结构的特定位点结合以后，DNA双链打开，转录过程开始，在RNA聚合酶的催化作用下，以DNA的一条链为模板根据碱基互补配对原则生成mRNA，遗传信息就由DNA传递到RNA上。转录结束后，mRNA与核糖体结合，读取mRNA的信息，指导tRNA携带的氨基酸分子合成多肽链，多肽链将在后续继续进入其他细胞器进行加工修饰成为结构完整的蛋白质，该过程即为翻译过程。而基因的调控过程存在于基因表达的各个环节，例如通过影响核糖体结合效率来调控翻译速率、通过影响转录因子的活性或者浓度来调控转录速率等。同时，其它基因的表达过程及其产物也会对该基因表达过程产生影响。下图展示了经过简化的单个基因表达的基本过程：图SEQ图表\*ARABIC1基因表达基本过程其中，值得注意的是，参与基因表达的物质如mRNA和蛋白质，自身均存在不间断的降解现象。对于该抽象化模型，我们忽略了其它基因表达的影响，只分析反应中的关键产物及其相关反应，并将转录和翻译的复杂过程简化为由反应速率表示的单个反应。这样，只考虑基因表达过程中的主要因素并将其合理简化，可以在确保模型结果与实际相似的前提下节省仿真资源。对于该基因表达模型，使用ODE方法进行建模分析，建立微分方程表示过程中各个产物浓度与时间的关系。设mRNA和蛋白质浓度为M(t)和N(t)，降解速率分别为C、D,转录和翻译速率分别为A、B。根据上图模型，得到下列方程：M(t)=−CMN(t)=−DM(t)+BM(fj其中，(3.1)、(3.2)式中的σt和τ(t)表示生化反应的时延，(3.3)式为希尔方程，hj为希尔系数，此处取对于该ODE模型，使用MATLAB中的ddesd算法进行求解微分方程，得到结果如图所示，显示了基因表达过程中mRNA和蛋白质随时间的变化过程，可以看到，两者会随时间趋于稳态，稳态值主要与初始赋值有关，到达稳态的时间则主要受反应速率和生化反应时延水平影响。值得注意的是，虽然该模型表示的生化反应过程不是人为构建，也不涉及合成生物学的相关方法，只是单个基因自然表达的过程，但也属于一个最简单的基因电路，是构成各种复杂的合成基因电路的基础部分，因此具有重要的研究价值。通过对该基础基因电路建模并分析，展示了基因电路各反应物和产物随时间的基本变化规律，以及反应各化学动力学参数与反应产物水平的关系，为建立基因电路元件模型后续电路元件的检测电路水平优化提供了依据。反相器上一节对基因电路基本原理和基础模型的建立做了研究，本节将介绍基因电路的基础元件——反相器的原理，并利用基础模型构建反相器生化反应方程和SBML模型。原理反相器是基因电路中的基础元件，同时也是基因电路的核心元件。反相器的重要性在于其系统响应上和数字电路逻辑非门的高度相似性，正因为这种相似性，它能充当性能优良的逻辑非门，从而与其它基因电路元件组合构成复杂逻辑。首先考察反向器的生物化学过程。下图所示为反相器的生化反应简化过程：图SEQ图表\*ARABIC2生化反相器原理简化示意图如图中所示，该反相器的输入输出信号均为mRNA浓度。输入信号决定了输出水平：输入mRNA为低水平或者无输入信号时，对应数字逻辑电路非门的输入二进制信号0，此时基因电路中DNA高水平表达，转录产生mRNA分子，输出信号为高水平mRNA浓度，此mRNA分子与输入mRNA相区别；输入mRNA为高水平时，对应数字逻辑电路非门的输入二进制信号1，其被翻译为阻遏蛋白，通过结合基因电路中DNA的启动子位点来抑制转录因子的活性，从而阻止DNA的转录和翻译，故输出信号为低水平mRNA浓度或者无mRNA输出。下面讨论反相器完整的生化反应过程，示意图如下图所示：图SEQ图表\*ARABIC3反相器生化反应过程如图所示，整个反相器基因电路生化反应过程分为翻译、调控绑定和转录三个阶段：第一阶段，输入信号mRNA直接与核糖体结合进行翻译得到输入蛋白即阻遏蛋白φA，从曲线可以看出，输入mRNA信号ψA刚开始增大时，翻译产物输入蛋白φA与其成正比，随着ψA增大产物水平逐渐趋于饱和，与上节中的基因电路基础模型的分析曲线规律吻合；第二阶段，该蛋白与DNA上启动子的结合位点绑定以抑制该DNA的转录和翻译，抑制作用用ρA来表示。从曲线可以看出，当阻遏蛋白φA超过某个界限值时，抑制作用急剧增加，因为该蛋白质浓度较高时，将会互相反应生成聚合物，其结合启动子的能力大幅提高，抑制作用也就大幅提高；第三阶段，若抑制作用较弱，则启动子与信号分子结合，DNA的转录过程启动，转录输出mRNA分子，由于阻遏蛋白的抑制作用和转录输出RNA水平呈反比，三个阶段分别的输入输出曲线结合，可以得到系统响应曲线，注意到，该曲线的输入输出特性与数字电路逻辑非门的特性曲线十分相似，当输入信号维持在高水平或者低水平的一定范围时，输出信号维持低水平或高水平，处在临界状态时，输出信号水平迅速变化，根据该基因电路的以上特性，适合作为反向器构成基因电路系统的核心元件。下表给出该反相器的具生化反应方程组，该模型具体地描述了反相器的基本生物化学反应，根据该模型，可以建立反相器的SBML模型并进行仿真。表1反相器生化反应方程组mRN(3.6)(3.7)(3.8)(3.9)(3.10)(3.11)(3.12)(3.13)(3.14)P(3.15)P(3.16)(3.17)(3.18)Kdia)8.333Krprsa2)66.67Kdca)0.5775Kdcga2)0.2887Ksngla)0.1667Kdisa2)0.2Kdca2)0.5775Kdcga4)0.2887Kdiz)8.333Krprsa4)333.3Kdcz)0.5775Kdcmrna)1.0Ksnglz)0.1667Kdisa4)0.25Kdcz2)0.5775Ksribe0.0001Klate0.03表2反相器基因电路模块参数表其中，mRNAA为输入信号，同时是第一种DNA的转录产物，其翻译会产生蛋白质A，A会与自身聚合形成二聚物A2，Pz是第二种DNA启动子的操纵子，会与第二种DNA启动子结合催化转录开始，生成转录产物mRNAz。同时，Pz会与A进行一系列复杂反应生成PZA2和PZA4，A、A2、PZA4和PZA1.1.2SBML模型及仿真利用iBiosim软件搭建的该反相器模型如图所示：图SEQ图表\*ARABIC4反相器SBML模型对于该SBML模型做简要解释：其中蓝色方框表示参与生化反应过程的每一种反应物或产物，直线将两反应物进行连接，箭头指向则为生成物，双向箭头表示可逆反应过程。红色方框表示生物化学反应，可通过修改反应参数来调整反应的化学动力学特性。此外，对该模型进行仿真，得到输入输出特性曲线如下图所示：图5反相器的仿真结果分析该曲线的输入输出曲线，当输入信号为高水平输出为低水平，且输入回到低水平后，输出水平恢复到原高水平，可重复工作。该基因电路反相器与数字电路逻辑非门的输入输出特性较为吻合，可作为后续复杂基因电路的基础元件。或门逻辑本节将介绍基因电路元件——或门的原理，并利用反相器元件等构建或门逻辑的生化反应方程和SBML模型。原理为了使得基因电路模块的输入输出信号实现或逻辑，设输入信号为X、Y，需实现逻辑为OR(X,Y)。可以表示为：OR(X,Y)=NAND（NOT(X),NOT(Y)）,即先对输入信号X和Y分别经过反相器处理，输出信号再经过一个与非逻辑电路结构，则输出信号可与输入信号形成或逻辑。其逻辑构成的生化反应原理如下图所示：图SEQ图表\*ARABIC5或门逻辑原理如图所示，输入信号分别与不同基因的启动子结合抑制其转录产物，构成两个反相器，两种转录产物Z1、Z2必须同时处于高水平才能作为最后一个基因电路反相器的高水平输入从而得到最终的低水平输出。即输入信号只有同时处于低水平输入时，前半部分电路输出Z1、Z2才能同时处于高水平输入，从而抑制后半部分电路的输出，使得最终输出为低水平；而只要其中一个输入信号处于高水平，则无法抑制，导致输出为高水平，从而实现了或门逻辑。从基因电路方面要实现该逻辑过程，需要利用已经搭建好的基因电路模型进行组合。由于电路后半部分需实现与非逻辑，而上文中的反相器可实现非门逻辑，因此，寻找只有同时存在才能使反相器的输入信号mRNA图SEQ图表\*ARABIC6与非门逻辑结构从生化反应过程来看，整个或门生化反应方程组可以简化表达为下表所示：表3或门电路生化反应方程组(4.1)(4.2)(4.3)(4.4)(4.5)(4.6)(4.7)(4.8)(4.9)其中，反应（4.7）即表示了与门逻辑，只有Z1和Z2同为高输入水平时，才能与后面基因电路中的DNA转录因子Pt相结合从而抑制DNA的转录和翻译，从而使输出信号XFP为低水平水平。1.3.2SBML模型及仿真利用iBiosim软件搭建的该或门基因电路模型如图所示：图SEQ图表\*ARABIC7或门基因电路SBML模型考察该SBML模型可知，其以上文中搭建的反相器基因电路模块为基础，使用模块化方法，通过不同组合，实现了或门逻辑。下图为该模型的仿真结果，可以看到，输入信号与输出信号的关系基本满足或门逻辑。但该模型的特性曲线仍存在输入信号在合理范围内变化时，输出水平会出现扰动，无法保持稳定的问题。对于该问题，下一章将会研究输入信号水平对输出水平造成干扰的影响因素，并对其进行优化，以使或门基因电路达到可应用至联合检测电路的水平。与门逻辑本节将介绍基因电路元件——与门的原理，并利用反相器元件等构建与门逻辑的生化反应方程和SBML模型。原理为了使得基因电路模块的输入输出信号实现与逻辑，与或门电路分析过程类似，设输入信号为X、Y，需实现逻辑为AND(X,Y)。可以表示为：AND(X,Y)=NOT(OR(NOT(X),NOT(Y))),即先对输入信号X和Y分别经过反相器处理，输出信号再经过一个或非逻辑电路结构，则输出信号可与输入信号形成与逻辑。其逻辑构成的生化反应原理如下图所示：图8与门逻辑原理如图所示，输入信号分别与不同基因的启动子结合抑制其转录产物，构成两个反相器，和或门逻辑不同的是，两种转录产物Z1、Z2只要有一个处于高水平就能作为最后一个基因电路反相器的高水平输入从而得到最终的低水平输出。即输入信号只要至少有一个为低水平输入时，前半部分电路输出Z1、Z2就至少有一个处于高水平输入，从而抑制后半部分电路的输出，使得最终输出为低水平；而只有所有输入信号处于高水平时，则无法抑制，导致输出为高水平，从而实现了与门逻辑。从基因电路方面要实现该逻辑过程，需要利用已经搭建好的基因电路模型进行组合。由于电路后半部分需实现与非逻辑，而上文中的反相器可实现非门逻辑，因此，寻找其中至少一个存在就能使反相器的输入信号mRNA图SEQ图表\*ARABIC8或非门逻辑结构从生化反应过程来看，整个与门生化反应方程组可以简化表达为下表所示：表4与门电路生化反应方程组(4.17)(4.18)(4.19)(4.20)(4.21)(4.22)Z(4.23)Z(4.24)(4.25)(4.26)其中，反应（4.23）和（4.24）共同表示了或门逻辑，只要Z1和Z2有至少一个为高输入水平时，就能与后面基因电路中的DNA转录因子Pt相结合从而抑制DNA的转录和翻译，从而使输出信号XFP为低输出水平。1.4.2SBML模型及仿真利用iBiosim软件搭建的该与门基因电路模型如图所示：图SEQ图表\*ARABIC9与门基因电路SBML模型考察该SBML模型可知，其以上文中搭建的反相器基因电路模块为基础，使用模块化方法，通过不同组合，实现了与门逻辑。下图为该模型的仿真结果，可以看到，输入信号与输出信号的关系基本满足与门逻辑。但该模型的理想曲线特性应为输入信号只要有一个为高水平，则输出始终为高水平且保持不变，可以发现还存在输入信号在合理范围内变化时，输出水平会出现扰动，无法保持固定水平的问题。对于该问题，下一章将会研究输入信号水平对输出水平造成