A synthetic circuit for buffering gene dosage variation between individual mammalian cells.
A synthetic circuit for buffering gene dosage variation between individual mammalian cells.
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一种用于缓冲单个哺乳动物细胞之间基因剂量差异的合成电路。
DOI：
10.1038/s41467-021-23889-0
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发表时间：
2021-07-05
影响因子：
16.6
通讯作者：
St-Pierre F
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Yang J;Lee J;Land MA;Lai S;Igoshin OA;St-Pierre F
精确控制基因表达对于生物学研究和生物技术至关重要。然而，瞬时质粒在哺乳动物细胞中的转染产生了每个细胞广泛的拷贝数分布，从而导致了高度的表达异质性。在这里，我们报告了基于质粒的合成电路-均衡器-在单细胞水平缓冲拷贝数变化。均衡器将转录负反馈环路与转录后非相干前馈控制相结合。计算模型表明，这两种拓扑的组合使均衡器能够在广泛的质粒拷贝数范围内工作。我们在实验中证明，均衡器的性能优于其他基因剂量补偿拓扑结构，并产生与染色体整合基因一样低的细胞间变异。我们还表明，Episome编码的均衡器能够快速产生稳定和统一表达的染色体外细胞系。总体而言，均衡器是一种简单而通用的同质基因表达设备，可以促进在每个细胞中可靠运行的合成电路的设计。瞬时质粒转染法产生了广泛的拷贝数分布和表达异质性。在这里，作者提出了一种称为均衡器的合成电路，它可以在单细胞水平上缓冲拷贝数的变化，并将细胞间表达的可变性降至最低。
Precise control of gene expression is critical for biological research and biotechnology. However, transient plasmid transfections in mammalian cells produce a wide distribution of copy numbers per cell, and consequently, high expression heterogeneity. Here, we report plasmid-based synthetic circuits – Equalizers – that buffer copy-number variation at the single-cell level. Equalizers couple a transcriptional negative feedback loop with post-transcriptional incoherent feedforward control. Computational modeling suggests that the combination of these two topologies enables Equalizers to operate over a wide range of plasmid copy numbers. We demonstrate experimentally that Equalizers outperform other gene dosage compensation topologies and produce as low cell-to-cell variation as chromosomally integrated genes. We also show that episome-encoded Equalizers enable the rapid generation of extrachromosomal cell lines with stable and uniform expression. Overall, Equalizers are simple and versatile devices for homogeneous gene expression and can facilitate the engineering of synthetic circuits that function reliably in every cell. Transient plasmid transfection produces a wide distribution of copy numbers and expression heterogeneity. Here the authors present synthetic circuits called Equalizers that buffer copy number variation at the single-cell level and minimize cell-to-cell expression variability.
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