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近年來，一類以動力學過程為主導的基因表達調(diào)控元件引起人們的關注。此類元件對下游報告基因的表達調(diào)控主要由動力學過程實現(xiàn)，其對目標配體的響應過程通常在幾秒內(nèi)發(fā)生。響應過程中沒有明顯的穩(wěn)定平衡狀態(tài)，調(diào)控元件的轉(zhuǎn)錄和翻譯過程持續(xù)發(fā)生，過程中各生物大分子（RNA聚合酶、核糖體、轉(zhuǎn)錄終止因子等）之間的動態(tài)配合決定了下游被調(diào)控基因的表達水平。一些代表性的調(diào)控元件包括核糖開關、原核生物中的前導肽以及真核生物中的上游開放讀碼框（uORF，upstream Open Reading Frame）。在天然狀態(tài)下，這些調(diào)控元件主要參與到生物體內(nèi)多種重要的信號通路，如細菌的環(huán)境壓力響應、植物的養(yǎng)分感知、人類疾病相關基因的調(diào)控。對此類元件作用機制的深入探究一方面能夠提升對相關信號通路調(diào)控網(wǎng)絡的認知水平，為微生物耐藥性、作物培育、人類基因相關疾病的研究提供理論指導；另一方面，在明確其調(diào)控原理的基礎上，有可能將其改造為代謝物生物傳感器。由于這類調(diào)控元件以動力學過程為主導的特點，相比于傳統(tǒng)蛋白質(zhì)調(diào)控類的傳感器，此類傳感器在響應配體分子的響應速度方面具有獨特優(yōu)勢。

然而由于這些調(diào)控元件發(fā)揮功能時的動力學過程變化迅速，導致對于其動力學機制的理解十分困難?；诹闵⑼蛔兎治?，結(jié)構解析和體外生化等傳統(tǒng)手段， 只能對動力學過程中一些較為穩(wěn)定的中間狀態(tài)進行研究，無法提供元件整體及其連續(xù)動態(tài)的作用機理。對于此類動力學過程主導的響應元件，如果能夠通過高通量的表征手段獲取其響應過程的分子機制（如元件所有位點所有突變類型對其響應性能的影響），結(jié)合已有的靜態(tài)研究結(jié)果，就可以建立該元件響應過程的動力學模型，進而從動態(tài)的角度來對調(diào)控元件進行機理分析，在進一步理解其機制的基礎上，為代謝物生物傳感器的改造提供方法基礎。

論文選取這類調(diào)控元件中重要的TnaC前導肽為研究體系。TnaC前導肽是核糖體阻滯肽（ribosome-arrest peptide）的一種，通過協(xié)調(diào)RNA聚合酶、核糖體和Rho轉(zhuǎn)錄終止因子三種大分子機器在轉(zhuǎn)錄翻譯tnaC過程中的動力學行為，可以對一定濃度范圍的胞內(nèi)色氨酸產(chǎn)生響應，調(diào)節(jié)重要的種間信號分子吲哚的合成。論文首先建立了基于流式分選－測序（FACS-seq）高通量分析的完整實驗操作流程和數(shù)據(jù)分析框架，在該框架下對包含1450個成員的tnaC突變文庫在多個色氨酸濃度下的響應特性進行了測量。根據(jù)FACS-seq分析結(jié)果繪制出了tnaC傳感器的“序列-性能”圖譜，該圖譜的深度分析結(jié)果，除了能夠驗證已報道的tnaC功能外，還發(fā)現(xiàn)了其響應過程中諸多未知的重要中間狀態(tài)，并結(jié)合文獻調(diào)研與實驗驗證提出了這些新發(fā)現(xiàn)背后可能存在的動力學機制。 

圖1. 本論文建立的FACS－seq高通量分析流程及TnaC深度突變掃描圖譜

在此基礎上，為了回答FACS-seq分析是否完整捕獲了全部重要的響應中間狀態(tài)，以及這些動力學中間態(tài)如何相互協(xié)調(diào)影響tnaC響應性能這一基本科學問題，論文以新發(fā)現(xiàn)的tnaC響應過程關鍵節(jié)點為基礎，建立了描述其協(xié)調(diào)RNA聚合酶、核糖體和Rho轉(zhuǎn)錄終止因子三種大分子機器動力學行為的隨機過程模型，該模型能夠準確預測不同突變體的響應性能，對于tnaC基礎響應和誘導相應之間的平衡關系給出了定量的機制性理解。最后該模型為改造tnaC傳感器的性能指標提供了指導方案，據(jù)此獲得了檢測范圍有明顯擴展的tnaC傳感器突變體。 

圖2. TnaC動態(tài)響應機制及其動力學隨機過程模型

此外，根據(jù)上述分析，本論文還提出了tnaC功能模塊化的觀點：以其中的色氨酸殘基為分水嶺，僅僅75個核苷酸組成的tnaC基因的上下游兩部分分別在mRNA和肽水平上獨立控制其動力學過程的幾個關鍵參數(shù)。系統(tǒng)發(fā)育分析揭示了模型預測的tnaC基因功能模塊化現(xiàn)象在腸道細菌中的普遍存在性。由于吲哚生物合成的調(diào)控在這些腸道細菌演化歷程中受到了嚴格的選擇壓力，這進一步反映了吲哚信號分子在腸道菌群中的重要潛在功能。tnaC關系到重要信號分子吲哚的合成與運輸，該發(fā)現(xiàn)對研究吲哚信號通路和壓力因子耐受性具有重要意義。

化工系張翀副教授和王天民博士（現(xiàn)為清華大學醫(yī)學院博士后）為本文通訊作者，生物育種技術與裝備團隊首席邢新會教授為本文共同作者，他們均為清華大學合成與系統(tǒng)生物學研究中心核心成員。王天民博士和清華大學化工系已畢業(yè)博士研究生鄭翔為本文的共同第一作者。該成果得到了國家自然科學基金委重點儀器研發(fā)項目、面上項目的資助。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41589-019-0430-3