Nature:科学家构建基因表达调控DNA序列进化和适应度的景观研究框架

资料来源：科学技术部2022-03-24 17:54

顺式作用元件是位于基因侧翼序列的非编码DNA序列，可以影响基因表达。这些顺式作用元件的突变可能会影响与基因转录因子的相互作用，从而调节基因表达，进而改变生物表型和适合度景观。一个完整的适应度景观由一个适应度函数定义，它将序列空间中的每个序列映射到其相关的适应度。然而，很难将调控DNA序列与适应度之间的映射关系可靠地扩展到整个序列空间，因此构建了完全适应度。

顺式作用元件是位于基因侧翼序列的非编码DNA序列，可以影响基因表达。这些顺式作用元件的突变可能会影响与基因转录因子的相互作用，从而调节基因表达，进而改变生物表型和适合度景观。一个完整的适应度景观由一个适应度函数定义，它将序列空间中的每个序列映射到其相关的适应度。然而，很难将调控DNA序列与适应度之间的映射关系可靠地扩展到整个序列空间，因此很难构建完整的适应度景观。

最近，美国科学家团队在《Nature》发表了一篇题为“基因调控DNA的进化、可进化性和工程”的文章，该文章基于酿酒的生物模型建立了启动子(一种顺式作用元件)的深度神经网络模型。

利用数百万随机采样的启动子序列及其在中测量的表达水平，研究团队发现设计的“序列到表达”卷积神经网络模型具有良好的预测性能，可用于基因表达工程的序列设计。利用该模型，团队评估了基因表达进化在不同进化情景下的适应性，发现在随机漂移和“强选择-弱突变”定向选择等进化情景下，表达调控的进化是迅速的，并受到“基因上位递减”的影响。不同环境下相互冲突的表达目标限制了表达适应性；基因表达的稳定选择可以减轻调控的复杂性。该团队提出了一种方法，从调控序列的自然变异中检测基因表达的选择特性，并利用这种方法寻找调控进化的收敛表达的例子。该团队评估了调控序列突变的鲁棒性，发现调控突变效应的大小遵循幂律，可视化了启动子适应度景观，解释了天然调控序列群体的突变鲁棒性。

研究团队的工作为表达调控序列的设计和表达调控的基本问题提供了一个通用框架，可以促进合成生物学、细胞和谐和代谢工程的进一步发展。(100yiyao.com)

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