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近年來，一類以動力學過程為主導的基因表達調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發(fā)生。響應過程中沒有明顯的穩(wěn)定平衡狀態(tài)，調控元件的轉錄和翻譯過程持續(xù)發(fā)生，過程中各生物大分子（RNA聚合酶、核糖體、轉錄終止因子等）之間的動態(tài)配合決定了下游被調控基因的表達水平。一些代表性的調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，這些調控元件主要參與到生物體內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。由于這類調控元件以動力學過程為主導的特點，相比于傳統(tǒng)蛋白質調控類的傳感器，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蛔兎治觯Y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），結合已有的靜態(tài)研究結果，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RNA聚合酶、核糖體和Rho轉錄終止因子三種大分子機器在轉錄翻譯tnaC過程中的動力學行為，可以對一定濃度范圍的胞內色氨酸產(chǎn)生響應，調節(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)，并結合文獻調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RNA聚合酶、核糖體和Rho轉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