mSystems | 基因組層面測量銅綠假單胞菌的轉錄調控噪聲
近日,中國科學院深圳先進技術研究院合成生物學研究所金帆課題組在國際學術期刊mSystems上發(fā)表了題為《Genome-Wide Analysis of Gene Expression Noise Brought About by Transcriptional Regulation in Pseudomonas aeruginosa》的研究成果。團隊利用成果所構建文庫,在單細菌層次上分析了大量啟動子的轉錄調控噪聲,為探究和理解細菌如何適應復雜的生活環(huán)境提供了數(shù)據(jù)支持。
中科院深圳先進院合成所助理研究員倪磊、研究員金帆為共同通訊作者。

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文章鏈接: https://doi.org/10.1128/msystems.00963-22
基因表達過程中各個步驟存在的隨機性,造成的個體與個體之間的差異性,就是基因表達的噪聲。轉錄過程中的噪聲可以分成兩部分:(1)轉錄起始的近泊松行為引起的隨機噪聲;(2)上游轉錄因子的表達水平和啟動子結合狀態(tài)波動引起的轉錄調控噪聲(文中用NTR表示)。經(jīng)過數(shù)十億年的自然選擇,轉錄調控噪聲已經(jīng)成為基因表達噪聲的一部分,細菌可以通過進化和調控特定的調節(jié)網(wǎng)絡來控制這種噪聲。因此,轉錄調控噪聲,而不是總表達噪聲,反映了目標基因的潛在的調控模式。
到目前為止,在基因表達層面已經(jīng)發(fā)展出了很好的理論來理解轉錄調控噪聲的基本邏輯,并且發(fā)現(xiàn)對具有高轉錄調控噪聲的基因的研究有望揭示細菌適應其棲息地的新機制。然而,在實驗中很難區(qū)分轉錄調控噪聲和轉錄過程的隨機噪音,這妨礙了對轉錄調控噪聲的理解,同時還缺乏基因組層面的轉錄調控噪聲的認識。為了在系統(tǒng)水平上描述基因表達的轉錄調控噪聲,金帆課題組團隊在模式致病菌銅綠假單胞菌中構建了一個包含3336個菌種的雙色熒光轉錄報告系統(tǒng)文庫,并利用文庫在單細菌層次上全面分析了銅綠假單胞菌基因組中超過90%啟動子的轉錄調控噪聲。該研究的結果為進一步地研究銅綠假單胞菌的轉錄調控提供了豐富的線索。
作者首先將測量得到的基因表達噪聲利用數(shù)學方法拆分為全局噪聲和啟動子特有的內部噪聲,再進一步地將啟動子特有的內部噪聲拆分為表達過程隨機性引起的固有噪聲和轉錄調控噪聲。分析發(fā)現(xiàn)啟動子的轉錄調控噪聲的高低與其下游表達的基因的功能是相關的。同時,當細菌生長處于對數(shù)期和定期時,具有較高或者較低轉錄調控噪聲的基因是非常不同的。但是無論是在對數(shù)期還是穩(wěn)定期,細菌的絕大多數(shù)必需基因的轉錄調控噪聲都接近為零,這表明將必需基因的轉錄調控噪聲保持在接近零的狀態(tài)就足以維持細菌的適應性。
進一步的,作者分析了具有較高轉錄調控噪聲的啟動子與其上游轉錄調控因子的關系,以及轉錄噪聲與細菌表型的相關性。此外還分析了部分高轉錄調控噪聲啟動子之間轉錄調控的相關性,發(fā)現(xiàn)大部分高轉錄調控噪聲啟動子之間存在不同程度的負相關。其中與鞭毛合成相關的基因fliC的啟動子與其余的14個啟動子均表現(xiàn)出了明顯的負相關,表明細菌在應對環(huán)境張力時,鞭毛的合成與其他功能之間是非?;コ獾摹?/p>
最后,作者用統(tǒng)計學方法分析了各個基因的表達量在細菌群體的分布,發(fā)現(xiàn)了部分基因的表達可以用伽馬分布或者對數(shù)正態(tài)分布來描述,但是大部分的基因的表達無法用簡單的分布來描述。同時發(fā)現(xiàn)高轉錄調控噪聲的啟動子的表達可以分為兩種類型,雙峰分布和重尾分布。
綜上,該研究提供了豐富的銅綠假單胞菌在單細胞層次上轉錄調控噪聲的實驗數(shù)據(jù),增加了對銅綠假單胞菌種群個體差異化的理解,為探究和理解細菌如何適應復雜的生活環(huán)境提供了數(shù)據(jù)支持。
該研究得到了科技部重大研發(fā)計劃、國家自然科學基金、中國科學院科學儀器開發(fā)和深圳合成生物學創(chuàng)新研究院等項目支持。

圖一 | 啟動子轉錄調控噪聲的水平與其下游基因的功能相關

圖二 | 高轉錄調控噪聲啟動子之間的轉錄調控的相關性
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