A synthetic gene circuit for imaging-free detection of signaling pulses.
A synthetic gene circuit for imaging-free detection of signaling pulses.
复制标题
一种用于信号脉冲无成像检测的合成基因电路。
DOI：
10.1016/j.cels.2021.10.002
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发表时间：
2022-02-16
期刊：
影响因子：
9.3
通讯作者：
Toettcher JE
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Ravindran PT;McFann S;Thornton RH;Toettcher JE
细胞利用细胞内信号传导途径来感知和响应外部环境的变化。近年来，活细胞生物传感器揭示了复杂的脉动动力学在许多途径，但这些信号动力学的研究是有限的活细胞成像在高时空分辨率的必要性。在这里，我们描述了一种方法来推断脉动信号动力学从一个单一的测量在固定的细胞使用脉冲检测基因电路。我们计算筛选电路的能力，选择性地检测信号脉冲，揭示了一个不相干的前馈拓扑结构，鲁棒地执行此计算。我们使用单个工程化转录因子和荧光蛋白报告基因实验性地实现了Erk信号通路的基序。我们的“Erk活动动态记录器”（READer）对自发和刺激驱动的Erk脉冲反应灵敏。阅读器电路打开大门，永久标记瞬态，动态细胞群，阐明机制的基础和信号动态的生物学后果。
Cells employ intracellular signaling pathways to sense and respond to changes in their external environment. In recent years, live-cell biosensors have revealed complex pulsatile dynamics in many pathways, but studies of these signaling dynamics are limited by the necessity of live-cell imaging at high spatiotemporal resolution. Here, we describe an approach to infer pulsatile signaling dynamics from a single measurement in fixed cells using a pulse-detecting gene circuit. We computationally screened for circuits with the capability to selectively detect signaling pulses, revealing an incoherent feedforward topology that robustly performs this computation. We implemented the motif experimentally for the Erk signaling pathway using a single engineered transcription factor and fluorescent protein reporter. Our ‘recorder of Erk activity dynamics’ (READer) responds sensitively to spontaneous and stimulus-driven Erk pulses. READer circuits open the door to permanently labeling transient, dynamic cell populations to elucidate the mechanistic underpinnings and biological consequences of signaling dynamics.
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