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SSB | 北大欧阳颀课题组与中科院深圳先进院娄春波课题组研究实现具有高协同性和高灵敏性潜力的工程化转录因子
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近日，北京大学物理学院欧阳颀课题组与中科院深圳先进技术研究院娄春波课题组共同在Synthetic and Systems Biotechnology期刊上发表了题为“Improving cooperativity of transcription activators by oligomerization domains in mammalian cells”的研究性论文。该论文利用多聚化结构域CarH与转录因子(RpaR-VTR3)的融合表达在哺乳动物细胞中的激活和协同作用，实现了具有高协同性和高灵敏性潜力的工程化转录因子(RpaR-CarH-VTR3)。
PART01研究内容简介
在哺乳动物细胞中，大多数RNAP II控制的启动子需要召集上百个转录因子并依赖其相互协同实现转录激活。具有协同性的激活调控是哺乳动物细胞发育、信号传递、决策等调控网络中非线性、灵敏性的主要来源，是哺乳动物细胞合成基因线路的核心调控模块。目前，真核细胞中转录激活因子协同性的大多数工程策略都依赖于复杂的蛋白质支架和串联激活结构域，这限制了真核细胞合成线路的可组合性和可编程性。而转录因子的多聚化是原核细胞模块化、高效的协同调控机制。因此，将原核多聚化结构域与转录激活因子融合以增强哺乳动物细胞中的激活协同性的工程设计方案值得探索。
在本工作中，我们探索了三种类型的多聚化结构域（CI、CI434和CarH）与转录因子（RpaR-VTR3）的融合表达在哺乳动物细胞中的激活和协同作用。我们发现转录因子（RpaR-VTR3）融合CI 和 CI434 多聚化结构域后协同性没有提升，原因是VTR3融合在CI 和 CI434的C 末端后破坏了C 末端的寡聚化结构域，因此两个工程化的RpaR-CI434-VTR3和RpaR-CI-VTR3没有体现多聚化协同作用。
图 1. CI和CI434多聚化结构域的设计和评估
由于CarH蛋白可以通过共价交联作用实现四聚化，嵌合转录因子RpaR-CarH-VTR3在C末端融合了VTR3激活域后也不会影响其多聚化行为。嵌合转录因子RpaR-CarH-VTR3由组成型启动子Hef1α组成型表达，报告基因(sfgfp)由串联了两个RpaO操纵子的启动子TRE3G控制，外加小分子诱导剂 pC-HSL测量启动子TRE3G的表达水平。实验结果表明诱导曲线的希尔系数从1.56增加到2.96，输入范围从15.63减少到3.4，初步证据表明，CarH充当交联的多聚化结构域，能够提高转录因子RpaR-VTR3的在哺乳动物细胞中的协同性。
图 2. 协同转录因子RpaR-CarH-VTR3的设计与评价
此外，为了探究RpaR-CarH-VTR3的协同能力的来源，一系列特定数量的操作子被设置在受RpaR-CarH-VTR3调控的启动子TRE3G上游，外加诱导剂小分子pC-HSL进行激活。对照组被转录因子RpaR -VTR3激活启动子活性也用相同的报告基因(sfgfp)检测。随着一系列额外的操作子的加入，RpaR-CarH-VTR3的实验结果表明诱导曲线的希尔系数没有进一步的提高，灵敏性也没有进一步显著提高。该结果表明，嵌合工程转录因子RpaR-CarH-VTR3的协同性来自CarH的四聚化，操作子数量的增加不会显著提高RpaR-CarH-VTR3的协同性。
图 3. 操作子的数量并未提高转录因子RpaR-CarH-VTR3的协同性
最后，我们建立了生物物理模型从微观角度理解了协同性的来源，引入参数ω用于表征转录因子的协同能力，ω越大，转录因子RpaR-CarH-VTR3的协同性越高。我们用模型模拟了三种类型的多聚化结构域（CI、CI434和CarH）与转录因子（RpaR-VTR3）的融合表达后的诱导曲线。结果表明，只有RpaR-CarH-VTR3的曲线提高了协同性，而其他曲线在与大肠杆菌中的模块化多聚化域融合或不融合时保持相对一致。因此，模拟结果证实了CarH蛋白域是转录因子协同性的来源。
图 4. 模拟结果证实了由CarH蛋白结构域引起的协同性的改善
PART 02 文章信息
Improving cooperativity of transcription activators by oligomerization domains in mammalian cells
Xinmao Chen, Ziming Liu, Chunbo Lou, Ying Guan, Qi Ouyang, Yanhui Xiang.
https://doi.org/10.1016/j.synbio.2022.12.003
2021 Impact Factor: 4.692; 5-Year Impact Factor: 5.23; JCR分区Q2
2021 CiteScore: 6.60, 位列学科Q1区
2022中科院分区生物学大类Q2区；生物工程与应用微生物小类Q1区
入选2019年中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊项目
https://blog.sciencenet.cn/blog-3496796-1375171.html
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