染色体空间定位通过基因表达噪声重新编程细菌基因电路功能

《Nature Communications》：Chromosomal location reprograms genetic circuit function

摘要

已知染色体位置会影响基因表达，但其对基因电路功能的影响仍大多尚未被探索。在这里，我们通过证明仅通过空间定位就可以重新编程基因电路的功能，从而扩展了位置效应的作用范围。以细菌作为活体平台，我们构建了219种具有不同空间特性的基因电路，包括三种调控级联电路和一个切换开关。我们发现，空间定位不仅能调节电路的性能，还能使电路在不同的动态状态之间切换，随着电路复杂性的增加，会出现新的运行模式。一个基于实验数据建立的数学模型预测了该切换开关存在的三种不同功能状态，并通过噪声将染色体位置与开关的稳定性联系起来。这种重新编程过程本质上是通过基因表达噪声的变化来实现的，它超越了将基因调控简单地理解为二进制（开/关）或模拟（更多/更少）的原则，而趋向于基于随机性和概率性的细胞计算机制。