合成生物學 基因與基因體學 生物化學 生物技術 表觀遺傳學

染色質調控:合成生物學的新工具

轉錄調控(transcriptional regulation)是探討細胞如何改變其轉錄機制,而影響特定基因的表現。早期的研究集中在蛋白質與 DNA 交互作用,例如:RNA 聚合酶 II(RNA polymerase II)與轉錄因子(transcription factors)座落在特定的啟動子(promoter)序列上而開始基因轉錄。這些研究累積的成果現在也都匯集成了線上資料庫,只要輸入 DNA 序列,就能夠分析可能的基因表現,以及參與其中的各種轉錄因子。

然而,基因的調控就這樣被解碼了嗎?事實上並非如此。研究者們發現許多基因的調控都受到了染色質結構變化而影響,異染色質(heterochromatin)如巴爾氏體(Barr body)便是轉錄受到染色質層級的抑制的著名例子之一。能夠藉由改變染色質結構,進而調控基因表現的蛋白質被統稱為 chromatin regulators (CRs)。由於染色質調控比過去 DNA 序列層級的轉錄有著更多因子參與也更多基因被影響,傳統的實驗方式無法逐一分析這些調控蛋白各自的功能。因此哈佛大學 Wyss Institute 的研究團隊使用了合成生物學(synthetic biology)的方式來分析單一調控蛋白對染色質的影響,系統化地拆解了表觀遺傳學調控的作用單元。

作者以酵母菌為模式生物,在酵母菌中分別表現 223 個已知的染色質調控蛋白質。實驗中這些蛋白質大多表現了針對特定 DNA 序列的鋅指(zinc-finger)蛋白。通過鋅指對酵母菌中內置的螢光蛋白報導基因(reporter genes)目標位置專一性,即可測驗每一個染色質調控蛋白質所造成基因轉錄活化(activation)或抑止(repression)強度。通過將兩個不同的染色質調控蛋白質共同在酵母菌中表現,從而了解不同蛋白質組合所造成轉錄現象與邏輯關係。這些現象包括「調控蛋白質對報導基因的協作活化(synergistic activation)」、「空間性調控(spatial regulation)」以及「表觀遺傳學層級的長時間抑制(epigenetics memory)」。

通過系統性地拆解這些調控單元,將染色質調控蛋白質單元化、零件化,可為設計基因迴路 (gene circuit) 工程提供了新的設計原則,並使得未來合成生物學能以表觀遺傳調控蛋白質作為基因調控的新探討面向。

 

利用合成生物學(synthetic biology)的方式來分析單一調控蛋白對染色質的影響,系統化地拆解了表觀遺傳學調控的作用單元。圖片來源:https://tinyurl.com/y7dnbw58

參考資料:

  1. Keung, A., Bashor, C., Kiriakov, S., Collins, J., & Khalil, A. (2014). Using Targeted Chromatin Regulators to Engineer Combinatorial and Spatial Transcriptional Regulation. Cell, 158(1), 110-120. doi:10.1016/j.cell.2014.04.047
  2. Keung, A. J., Joung, J. K., Khalil, A. S., & Collins, J. J. (2015). Chromatin regulation at the frontier of synthetic biology. Nature Reviews Genetics, 16(3), 159-171. doi:10.1038/nrg3900

撰稿|恩浩

修訂|林映希

About the author

陳恩浩

陳恩浩

長庚大學生物醫學所畢業,目前於德國馬克斯普朗克免疫生物學暨表觀遺傳學所攻讀博士班,專注於癌症生物學。因科技部大專生研究計劃、國際合成生物學競賽(iGEM)而從大學開始流連於研究室中。熱衷於分享科學教育、生物醫學有關的知識與小故事。希望藉由這個平台跟更多有趣的夥伴對話。