大肠杆菌中负自调控基因的细胞周期同步振荡表达

在合成生物学中，设计既可控又稳健的遗传网络是一项关键挑战。合成线路必须在动态、随机和异质的环境中可靠运行，而简单线路的研究有助于完善复杂的基因调控模型。尽管诸如遗传振荡器之类的稳健行为已在原核和真核生物中设计与实现，但即便简单网络的先验基因工程仍十分困难，并且对构建稳健网络至关重要的细胞与分子生物学许多方面仍缺乏充分表征。特别是，诸如基因复制和细胞分裂等周期性过程在基因调控模型中很少被考虑，而随着合成生物学家利用染色体整合的新工具，这些过程可能变得更为重要。我们研究了一个基于噬菌体 ${\lambda}$ 转录抑制因子 Cro 的染色体整合负反馈线路，并在单细胞时间轨迹中观察到强烈的、依赖反馈的振荡。这一发现令人惊讶，因为其缺乏协同性、长延迟或快速蛋白降解。我们进一步表明，振荡通过基因复制与细胞周期同步，其相移与估计的基因复制时间可预测地相关。此外，我们表征了负反馈对基因表达噪声幅值及动态的影响。我们的结果表明，即便是简单基因线路，在准确、可预测的模型中也必须考虑细胞周期效应。${\lambda}$ Cro 的细胞周期周期性表达也为裂解概率的细胞大小依赖性提供了解释，并暗示了位点特异性 ${\lambda}$ 整合的进化基础。