Hoe beïnvloedt de positie van een gen de expressie ervan?

De beroemde natuurkundige Richard Feynman wordt gecrediteerd met het citaat: “Wat ik niet kan creëren, begrijp ik niet.” Naast het informeren van Feynmans benadering van theoretische fysica, is het een goede manier om de motivaties van synthetisch biologen te beschrijven, met hun interesse in het bouwen van genomen vanaf het begin. Door synthetische genomen te ontwerpen en te bouwen, hopen ze de code van het leven beter te begrijpen.

Synthetische biologie is georganiseerd rond het concept van het gebruik van DNA-sequenties als ‘onderdelen’ met reproduceerbare functies. Door succesvolle samenwerking en het gebruik van geavanceerde tools heeft de Steinmetz Group van EMBL nu belangrijk inzicht gekregen in de diversiteit van genexpressie die het gevolg is van de positie of context van deze DNA-segmenten binnen het genoom.

Verklaring van de essentiële vraag die actie motiveert, Amanda Hughes – Co-lead auteur en postdoc in Steinmetz-groep – Hij zei: “In de synthetische biologie heb je de neiging om dingen op te splitsen in modulaire ‘plug-and-play’-onderdelen. Dit zijn de motoronderdelen, de codeergebieden en de eindonderdelen. We wilden testen of deze onderdelen echt ‘plug and play’ waren. play’, in elke context op dezelfde manier werken. , of dat hun locatie hun functie beïnvloedt. We wilden beter begrijpen hoe de lineaire organisatie van genen hun functie beïnvloedt en algemene ontwerpprincipes identificeren die kunnen worden toegepast op genoomconstructie. “

Toolbox voor synthetische biologie biedt contextuele inzichten

Dit werk wordt gefinancierd door de BMBF en de Volkswagen Foundation “Life?” initiatief, werd mogelijk gemaakt door twee hoofdtechnologieën: synthetische giststammen van sc2.0 .consortium Een long read directe RNA-sequencing. De stammen verkregen van het Sc2.0-consortium bevatten een ontwerpkenmerk genaamd ‘SCRaMbLE’ dat de mogelijkheid biedt om genen op verschillende loci te herschikken op een voorheen onbereikbare schaal. De expertise en tools die beschikbaar zijn in Basis Genomics Faciliteit bij EMBL, waaronder het Oxford Nanopore-netwerk, stelde het team in staat om directe, lange-afstandssequencing van RNA uit te voeren, waardoor het begin en einde van RNA-moleculen kunnen worden geïdentificeerd en toegewezen aan specifieke herschikkingen. De combinatie van deze geavanceerde technieken is van cruciaal belang geweest voor het meten van RNA-moleculen van volledige lengte van genen in vele contexten.

De krant gepubliceerd in weten Het is aangetoond dat deze context, met name de context van transcriptie, de RNA-output van een gen verandert. Met behulp van directe long-read RNA-sequencing waren ze in staat om veranderingen in het begin, het einde en de hoeveelheid RNA-moleculen van volledige lengte tot expressie te brengen van willekeurig herschikte DNA-sequenties in synthetische gistgenomen. Genoverdracht beïnvloedt de lengte en overvloed van zijn RNA-productie; Deze veranderingen werden echter niet altijd verklaard door de nieuwe aangrenzende DNA-sequentie. Het lijkt erop dat de transcriptie eromheen plaatsvindt, en niet de sequentie zelf, die de RNA-output van het gen verandert.

Het extraheren van algemene principes uit deze grote willekeurige dataset was geen triviale taak, zoals hoofdauteur Aaron Brooks uitlegde: “Om tot onze conclusies te komen, moesten we genen volgen in verschillende alternatieve genetische contexten, die aanwezig waren in de SCRaMbLE-stammen. recombinatie was Samen snijden is een enorme inspanning. We moesten een enorme dataset voor sequencing creëren, waarvoor we op zijn beurt nieuwe softwaretools moesten ontwikkelen. We moesten vertrouwen op geavanceerde algoritmen voor machine learning om ons te helpen de complexe patronen die we observeerden te begrijpen .” Modellering van de RNA-output van een gen op basis van nieuwe stroomopwaartse en stroomafwaartse contexten onthulde dat kenmerken die verband houden met omringende transcriptionele patronen RNA-grenzen en overvloed voorspellen. Als een gen bijvoorbeeld wordt overgebracht naar de nabijheid van een buur die sterk tot expressie komt, heeft de expressie ervan ook de neiging toe te nemen.

Definieer ontwerpprincipes voor genoomconstructie

Naast het licht werpen op de relatie tussen RNA-abundantie en aangrenzende genexpressie, zagen de onderzoekers ook een overtuigende relatie tussen de RNA-terminusposities van convergente genen (genen georiënteerd met uiteinden naar elkaar toe). In het bijzonder vinden ze dat de RNA-lengte wordt beïnvloed door de nabijheid en overvloed van naburige transcripten. Jef Boeke, co-auteur en directeur van het Sc2.0 Consortium gaf commentaar op deze inzichten: “Diepe transcriptionele profilering gecombineerd met genetische variaties geproduceerd met [the] Het SCRaMbLE-systeem heeft ons nieuwe inzichten gegeven in de flexibiliteit van het gistgenoom en geeft aan dat de regels waar transcriptie eindigt verrassend genoeg van de context kunnen afhangen.”

Door deze resultaten toe te passen, konden de onderzoekers uiteindelijk de lengte van de RNA-moleculen afstemmen door de transcriptie van een aangrenzend gen te regelen. Het team toonde aan dat de lessen die zijn getrokken uit het bestuderen van transcriptomen van SCRaMbLEd-genomen kunnen worden toegepast op technische genomen met gewenste functies. De studie stelt ook een nieuw ontwerpconcept voor synthetische biologie voor dat onderzoekers ‘transcriptionele inbedding’ noemen en dat kan worden gebruikt om RNA-tags om te keren, de stabiliteit ervan te veranderen, in eiwitten te vertalen of zelfs te lokaliseren. Ze geloven dat dit allemaal kan worden bereikt door de expressie van een naburig geconjugeerd gen te beheersen in plaats van het gen zelf.

“De onbevooroordeelde en high-throughput aard van de gen-editing-aanpak die hier wordt gebruikt, brengt ons ertoe de functies van genetische sequenties in verschillende genomische contexten te ontdekken, iets dat voorheen niet op grote schaal mogelijk was”, zegt Lars Steinmetz, groepsleider bij EMBL. . “Deze benadering bevestigt dat context belangrijk is bij de regulatie van transcriptuiteinden – verrassend genoeg, zelfs contextafhankelijke voorspellingen van transcriptuiteinden mogelijk maakt wanneer genen op nieuwe locaties worden herschikt. Uiteindelijk onthult het werk dat er een fijne, onderling verbonden regulatie is van naburige genetische elementen, waarbij meerdere genen betrokken zijn die bepalen waar transcriptie begint en stopt. Het vermogen om deze interacties te voorspellen kan ons leiden naar belangrijke ‘ontwerpprincipes’ voor genoomconstructie; Dat wil zeggen, waar de genen zich het beste bevinden en hoe ze ten opzichte van elkaar moeten worden geplaatst. Deze inzichten bevorderen transcriptoom-engineeringtools zonder de sequentie zelf te veranderen, maar door aangrenzende genexpressie te wijzigen.” Hun werk draagt ​​bij aan een groeiend repertoire van ontwerpprincipes die kunnen worden gebruikt om een ​​geweldig inzicht in synthetische biologie te krijgen: het ontwerpen en bouwen van een genoom vanaf het begin.

verwijzing: Aaron Brooks N, Amanda Hughes L, Clauder-Munster Sandra, Mitchell-Leslie A, Buck Jeff D, Steinmetz Lars M. Transcriptomes reguleren isovormlengtes en expressieniveaus. weten. 2022; 375 (6584): 1000-1005. dui: 10.1126 / science.abg0162.

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit het volgende: Materialen. Opmerking: het artikel is mogelijk aangepast qua lengte en inhoud. Voor meer informatie kunt u contact opnemen met de genoemde bron.