【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 協(xié)助至少可以分為兩類： – 一類是不依賴 ρ因子的終止子，這類終止子在序列上有一些共同的特點(diǎn)，即有一段富含 GC的反向重復(fù)序列 (inverted repeat sequence)，其后跟隨一段富含 AT的序列，因而轉(zhuǎn)錄生成的 mRNA序列中能形成 發(fā)夾式結(jié)構(gòu)，后繼一連串寡聚 U序列。正是RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄生成的這段 mRNA的結(jié)構(gòu)阻止 RNA聚合酶繼續(xù)沿 DNA移動(dòng)，并使聚合酶從 DNA鏈上脫落下來，終止轉(zhuǎn)錄。 – 另一類是依賴 ρ因子的終止子，即其終止轉(zhuǎn)錄的作用需要 ρ因子的協(xié)同，或至少是受 ρ因子的影響，終止點(diǎn)前無寡聚 U序列，回文對(duì)稱區(qū)不富含 GC。 ? 不同終止子的作用也有強(qiáng)弱之分。有的終止子幾乎能完全停止轉(zhuǎn)錄；有的則只是部分終止轉(zhuǎn)錄，還有一部分 RNA聚合酶能越過這類終止序列繼續(xù)沿 DNA移動(dòng)并轉(zhuǎn)錄。如果一串結(jié)構(gòu)基因群中間 有這種弱終止子的存在，則前后轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的量會(huì)有所不同，這也是終止子調(diào)節(jié)基因群中 不同基因表達(dá)產(chǎn)物比例的一種方式。轉(zhuǎn)錄終止的機(jī)制較為復(fù)雜，結(jié)論尚不統(tǒng)一。 ? 在構(gòu)建表達(dá)載體時(shí)，為了穩(wěn)定載體系統(tǒng)，防止克隆的外源基因表達(dá)干擾載體的穩(wěn)定性，一般都在多克隆位點(diǎn)的下游插入一段很強(qiáng)的轉(zhuǎn)錄終止子。 操縱子 ? 是細(xì)菌的基因表達(dá)調(diào)節(jié)裝置，由啟動(dòng)子和其他 DNA調(diào)節(jié)元件與串聯(lián)的多個(gè)相關(guān)基因組成，由同一套調(diào)節(jié)蛋白調(diào)節(jié)。 ? 操縱子通常由 2個(gè)以上的編碼序列、啟動(dòng)序列、操縱序列以及其他調(diào)節(jié)序列在基因組中成簇串聯(lián)組成。 ? 某些操縱序列是原核阻遏蛋白的結(jié)合位點(diǎn)，當(dāng)操縱序列結(jié)合阻遏蛋白時(shí)會(huì)阻礙 RNA聚合酶與啟動(dòng)序列的結(jié)合，或使 RNA聚合酶不能沿 DNA向前移動(dòng)，阻遏轉(zhuǎn)錄，介導(dǎo)負(fù)調(diào)節(jié) (negative regulation)。 ? 原核操縱子調(diào)節(jié)序列中還有一種特異 DNA序列可結(jié)合激活蛋白，使轉(zhuǎn)錄激活，介導(dǎo)正調(diào)節(jié) ( positive regulation) 生物裝置 ? 有了上述標(biāo)準(zhǔn)化的“ Part”部件，就可以利用轉(zhuǎn)錄激活因子、轉(zhuǎn)錄阻遏蛋白、轉(zhuǎn)錄后機(jī)制（如 DNA修飾酶）和 Riboregulator（核糖核酸調(diào)節(jié)因子）等結(jié)合邏輯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)建稍微復(fù)雜些的生物裝置“ Device”。 ? 生物裝置通過調(diào)控信息流、代謝作用、生物合成功能以及與其他裝置和環(huán)境進(jìn)行交流等方式處理“輸入”產(chǎn)生“輸出”。 利用 iGEM Registry提供的標(biāo)準(zhǔn)化系統(tǒng)量化方法，我們可以將一些生物裝置進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化抽提，描述成如下形式：具有一定生物學(xué)功能，并且能夠?yàn)橥庠次镔|(zhì)所控制的一串 DNA序列。 ? 報(bào)告基因 (reporter) ——其產(chǎn)物易于被檢出的基因，在分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)中用于替換天然基因的位置，以檢驗(yàn)其啟動(dòng)子及調(diào)節(jié)因子的結(jié)構(gòu)組成和效率，常用的為各種熒光蛋白編碼基因，如 gfp (green fluorecent protein基因 )等。 ? 轉(zhuǎn)換器 (inverter)——一種遺傳裝置，它在接收到某種信號(hào)時(shí)停止下游基因的轉(zhuǎn)錄，而未接收到信號(hào)時(shí)開啟下游基因的轉(zhuǎn)錄。 ? 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)裝置 (signaling) ——是指環(huán)境與細(xì)胞之間或者鄰近的細(xì)胞與細(xì)胞之間接收信號(hào)和傳遞信號(hào)的裝置。 ? 蛋白質(zhì)生成裝置 (protein generator) ——產(chǎn)生具有一定功能蛋白質(zhì)的裝置 生物系統(tǒng) ? 為了得到更加復(fù)雜的調(diào)控行為或生物功能，可將裝置以串聯(lián)、反饋或者前饋等形式連接，組成更加復(fù)雜的 級(jí)聯(lián)線路 或者 調(diào)控網(wǎng)絡(luò) ，即所謂的生物系統(tǒng) ( System)。 ? 自然生物系統(tǒng)中的調(diào)控級(jí)聯(lián)線路是非常普遍的，如大腸桿菌和酵母菌調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中包含的級(jí)聯(lián)線路。級(jí)聯(lián)線路調(diào)控基因的遞進(jìn)式表達(dá)，可以觸發(fā)大腸桿菌鞭毛、酵母菌孢子的形成或者控制細(xì)菌的細(xì)胞周期。在活體細(xì)胞中，許多信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和蛋白激酶通路也得益于級(jí)聯(lián)過程來調(diào)控其活性。在果蠅和海膽等多細(xì)胞生物體中，許多時(shí)間順序事件通常由級(jí)聯(lián)過程來調(diào)控。 ? 級(jí)聯(lián)線路具有許多非常重要的特點(diǎn)。例如，由蛋白質(zhì)控制的級(jí)聯(lián)線路對(duì)于漸變輸入具有超敏感性的“全開或全關(guān)”響應(yīng)，輸入信號(hào)中非常小的變化即可以激勵(lì)輸出由低到高/由高到低的跳變 ? 在各種級(jí)聯(lián)線路和調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中，最簡(jiǎn)單的形式是轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控系統(tǒng)。 細(xì)胞群體系統(tǒng)及多細(xì)胞系統(tǒng) ? 由于基因表達(dá)過程中內(nèi)源和外源噪聲的影響以及其他細(xì)胞的作用，互不通訊的一組細(xì)胞即使起源相同也可能具有不同表型和異步行為，不可能互相協(xié)作，完成的生物功能也有限。為了更高效地實(shí)現(xiàn)人類期望的功能，需要多個(gè)細(xì)胞甚至多種細(xì)胞協(xié)同運(yùn)作。利用細(xì)胞間通訊協(xié)調(diào)彼此的行為是目前工程化細(xì)胞群體系統(tǒng)的主要手段。相比于單細(xì)胞而言．細(xì)胞群體系統(tǒng)及多細(xì)胞系統(tǒng)的人工構(gòu)建則復(fù)雜得多，不僅要考慮細(xì)胞間的協(xié)同，還要考慮信號(hào)分子的跨膜運(yùn)輸、環(huán)境因素的分布梯度等。 群體感應(yīng) ? 此現(xiàn)象最早是在海洋中的一種發(fā)光弧菌（ Vibrio fischeri）中發(fā)現(xiàn)的。 ? 近年來的研究證明，微生物之間存在著信息交流，許多微生物都能合成并釋放一種被稱為自體誘導(dǎo)物( autoinducer, AI)的信號(hào)分子，胞外的 AI濃度隨微生物密度的增加而增加，當(dāng)達(dá)到一個(gè)臨界濃度時(shí)， AI能啟動(dòng)菌體中相關(guān)基因的表達(dá)，調(diào)控微生物的生物行為，如產(chǎn)生毒素、形成生物膜、產(chǎn)生抗生素、生成孢子、產(chǎn)生熒光等，以適應(yīng)環(huán)境的變化，這一現(xiàn)象被稱為群體感應(yīng)現(xiàn)象。因這一現(xiàn)象只有在微生物密度達(dá)到一定閾值后才會(huì)發(fā)生，所以也稱為依賴細(xì)胞密度控制的基因表達(dá) ( cell density dependent control of gene expression)。 在發(fā)光弧菌中由 Plux啟動(dòng)子控制群體感應(yīng)表達(dá)系統(tǒng)，而 Plux啟動(dòng)子是由小分子信號(hào)控制的 ? 群體感應(yīng)一般用于系統(tǒng)中群體細(xì)胞之間的同步響應(yīng)，它提供了一種依賴細(xì)胞濃度調(diào)控基因表達(dá)的有效手段。 ? 合成生物學(xué)在此方面的初期嘗試就是在大腸桿菌中開發(fā)細(xì)胞間的通訊模塊以協(xié)調(diào)細(xì)胞群體行為。將費(fèi)氏弧菌（ Vibrio fischeri）中響應(yīng)群體感應(yīng)的基因分別植入獨(dú)立的發(fā)生細(xì)胞和接收細(xì)胞中。發(fā)生細(xì)胞表達(dá) Luxl催化 AHL的合成。 AHL信號(hào)分子自由擴(kuò)散到接收細(xì)胞中和 LuxR蛋白組成復(fù)合物激活目的基因轉(zhuǎn)錄，從而通過 AHL信號(hào)分子的擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)細(xì)胞群體間的通訊和協(xié)作。 第二部分 合成生物系統(tǒng)的邏輯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) ? 原核生物基因表達(dá)調(diào)控主要發(fā)生在轉(zhuǎn)錄水平，因此以轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控為主來介紹遺傳線路的各種邏輯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 ? 轉(zhuǎn)錄調(diào)控的基本單元是操縱子，在轉(zhuǎn)錄水平上對(duì)基因表達(dá)進(jìn)行調(diào)控取決于 DNA的結(jié)構(gòu)、 RNA聚合酶的功能、蛋白因子及其他小分子配基的相互作用。 ? 對(duì)于這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分類方式有很多種，大體可以歸納為串聯(lián)、反饋和前饋等類型。其中，反饋可分為正反饋和負(fù)反饋；前饋可分為一致前饋和非一致前饋等。 ? 這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并不是生物系統(tǒng)所特有的，在電子線路、控制理論、計(jì)算機(jī)圖論等領(lǐng)域中均有類似的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，只是因?yàn)樯锵到y(tǒng)是由生物元件組成，具有不同于電子線路、控制回路等的特點(diǎn)。 串聯(lián) ? 串聯(lián)是指上游模塊的輸出信號(hào)作為下游模塊的輸入信號(hào)的連接形式 ? 對(duì)于生物模塊來講，這種信號(hào)可以是小分子代謝物、蛋白質(zhì)、 mRNA等。 單輸入 ? 主模塊的輸出作為下層分模塊的輸入。在單輸入結(jié)構(gòu)中，只有一個(gè)主模塊作為下層模塊的輸入。 ? 這種結(jié)構(gòu)在自然生物的轉(zhuǎn)錄基元 ( motif)中很常見，其主要功能是實(shí)現(xiàn)一組基因的共表達(dá)。此外還可以實(shí)現(xiàn)模塊時(shí)序表達(dá)的功能，即模塊 1到模塊 N按預(yù)定義順序表達(dá)：如果主模塊代表激活因子，激活下層啟動(dòng)子模塊，啟動(dòng)子序列和結(jié)合位點(diǎn)不同，導(dǎo)致各個(gè)啟動(dòng)子激活閾值不同，當(dāng)主模塊的活性緩慢遞增時(shí)，閾值最低的啟動(dòng)子先啟動(dòng)，依此類推，閾值最高的啟動(dòng)子最后啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)基因表達(dá)的時(shí)序控制。同理，當(dāng)主模塊代表阻遏子基因時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)類似的時(shí)序控制。通過高時(shí)間分辨率的檢測(cè)手段可以觀測(cè)到在大腸桿菌中有許多系統(tǒng)具有 SIM結(jié)構(gòu)。這一結(jié)構(gòu)具有一個(gè)很重要的屬性 ——時(shí)間序列與基因功能序列吻合，即在一個(gè)多基因過程中，越早需要的蛋白質(zhì)／代謝物，它的基因越先被激活。這種時(shí)序控制可以防止蛋白質(zhì)產(chǎn)物在需要之前過早生成，實(shí)現(xiàn)能源的節(jié)約，避免不必要的交叉干擾。 ? 在大腸桿菌的精氨酸生物合成系統(tǒng)中，阻遏蛋白 ArgR調(diào)控多個(gè)編碼精氨酸生物