De novo design of heat-repressible RNA thermosensors in E. coli.
De novo design of heat-repressible RNA thermosensors in E. coli.
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DOI：
10.1093/nar/gkv499
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发表时间：
2015-07-13
影响因子：
14.9
通讯作者：
Moon TS
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Hoynes-O'Connor A;Hinman K;Kirchner L;Moon TS
基于RNA的温度传感在生活在波动环境中的细菌中很常见。大多数自然产生的RNA温度传感器是热诱导的，具有长序列，并通过在较低温度下隔离发夹结构中的核糖体结合位置来发挥作用。在这里，我们演示了短小、耐热的RNA温度传感器的从头设计。这些温度传感器在目标基因的5‘非翻译区含有核糖核酸酶E的裂解位点，核糖核酸酶E是大肠杆菌和许多其他生物特有的一种酶。在低温下，裂解部位被隔离在茎环中，基因表达不受阻碍。在高温下，茎环展开，允许mRNA降解和关闭表达。我们证明了这些温度传感器对温度有特异性的反应，并为RNaseE在这一机制中的中心作用提供了实验支持。我们还通过构建一个利用转录、转录后和翻译后调节的三输入复合电路来证明这些RNA温度传感器的模块化。通过对24个温度传感器的透彻分析，可以为今后的应用系统地建造类似的温度传感器制定设计准则。这些短的、模块化的RNA温度传感器可以用于构建复杂的遗传电路，促进细胞过程的合理重新编程，用于合成生物学应用。
RNA-based temperature sensing is common in bacteria that live in fluctuating environments. Most naturally-occurring RNA thermosensors are heat-inducible, have long sequences, and function by sequestering the ribosome binding site in a hairpin structure at lower temperatures. Here, we demonstrate the de novo design of short, heat-repressible RNA thermosensors. These thermosensors contain a cleavage site for RNase E, an enzyme native to Escherichia coli and many other organisms, in the 5′ untranslated region of the target gene. At low temperatures, the cleavage site is sequestered in a stem–loop, and gene expression is unobstructed. At high temperatures, the stem–loop unfolds, allowing for mRNA degradation and turning off expression. We demonstrated that these thermosensors respond specifically to temperature and provided experimental support for the central role of RNase E in the mechanism. We also demonstrated the modularity of these RNA thermosensors by constructing a three-input composite circuit that utilizes transcriptional, post-transcriptional, and post-translational regulation. A thorough analysis of the 24 thermosensors allowed for the development of design guidelines for systematic construction of similar thermosensors in future applications. These short, modular RNA thermosensors can be applied to the construction of complex genetic circuits, facilitating rational reprogramming of cellular processes for synthetic biology applications.
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