原儿茶酸和白藜芦醇调控基因表达生物逻辑运算器及其应用制造技术

本发明专利技术公开了一种原儿茶酸与白藜芦醇调控基因表达的生物逻辑运算器，其逻辑运算包含以下逻辑门，分别为与门，蕴含非门，或非门以及或门，包括外源基因表达、内源基因表达；所述生物逻辑运算器为双输入、单输出的运算模式。本发明专利技术还公开了通过组装CRISPR/dCas9系统模块的原儿茶酸与白藜芦醇调控内源基因表达的生物逻辑运算器，其能够在细胞水平上进行单基因或多基因同时激活的准确逻辑运算。本发明专利技术还公开了外源基因表达以及内源基因表达与门在动物体内进行运算的真核表达载体。本发明专利技术提供了新型绿色小分子调控的哺乳动物计算机，且为CRISPR/dCas9介导的内源基因表达提供了精准调控运算方式。调控运算方式。

【技术实现步骤摘要】
原儿茶酸和白藜芦醇调控基因表达生物逻辑运算器及其应用


[0001]本专利技术涉及合成生物学、基因编辑领域，具体涉及绿色小分子物质原儿茶酸和白藜芦醇调控的基因表达生物逻辑运算器及其在体内、外进行准确运算的应用。

技术介绍

[0002]合成生物学作为全新的研究领域，其核心是设计组装各种分子组件(如DNA,RNA,多肽和蛋白质等)，以获取具有特定功能的生物模块，从而实现对细胞乃至生物体的功能改造。近年来，合成生物学取得了蓬勃发展，基因线路的设计不再局限于单一信号的输入输出，更趋于多层次和复杂化，以推进精准医学的发展。
[0003]生物逻辑运算器的构建是基因线路走向设计复杂化的一大代表。其中，逻辑门是计算机的运行基础，它通过对输入的各种信号进行逻辑运算，然后输出所需信息的基础装置。通过对多种不同的布尔逻辑门进行人工组合，可以在细胞内创造出复杂的生物逻辑运算器电路。最初研究较多的生物逻辑运算器是在细菌中进行，例如Voigt CA实验室构建了16种由阿拉伯糖和四环素响应的双输入逻辑门，Collins和PengYin研究团队共同完成了RNA分子生物逻辑运算器的合成等。相对于细菌中的生物逻辑运算器，哺乳动物细胞中的生物逻辑运算器起步较晚，如MartinFussenegger研究团队在2012年首次在哺乳动物细胞中合成了多种由根皮素和红霉素响应的双输入逻辑运算以及在2018年成功构建了三输入
‑
两输出的全加器。而如上所述目前合成的哺乳动物生物逻辑运算器一般都采用了抗生素作为输入信号物，但抗生素的毒副作用会影响该类生物逻辑运算器在医学上的进一步应用。
[0004]CRISPR
‑
dCas9系统提供了一个基因组定点转录调控平台，dCas9通过与其他效应蛋白的融合(如转录因子、修饰因子等)可进行定点基因表达调控，表观遗传修饰等行为。现已构建出红光，蓝光和雷帕霉素等单个信号物质调控CRISPR
‑
dCas9系统的基因线路，但目前仍缺乏多个信号物质共同控制CRISPR
‑
dCas9系统的基因装置。

技术实现思路

[0005]本专利技术首次创新公开了一种由绿色小分子物质调控的生物逻辑运算器。本专利技术公开的具体实施方案中，以具有多种生物功效的原儿茶酸和白藜芦醇作为双输入信号物质，即双输入布尔逻辑门调控系统，以原儿茶酸(PCA)和白藜芦醇(RES)为诱导物，能够在细胞内和动物体内正确运行的逻辑电路，其优势在于PCA和RES均是天然的健康安全的小分子化合物，其中原儿茶酸分布广泛，存在于广枣、单参等中草药中，同时也是花青素和茶多酚的主要代谢产物；白藜芦醇是一种天然酚类化合物，广泛存在于葡萄、花生、蓝莓等植物中，已有多篇研究报道其具有抗肿瘤、抗炎等功效。同时，本专利技术公开了一种原儿茶酸与白藜芦醇调控外源/内源基因表达的生物逻辑运算器，即该生物逻辑运算器能够在细胞水平上进行单基因或多基因同时激活的准确逻辑运算，这为CRISPR/dCas9介导的内源基因表达提供了一种精准的调控运算方式。
[0006]本专利技术提供了一种原儿茶酸和白藜芦醇调控的生物逻辑运算器，其中所述生物逻
辑运算器包括原儿茶酸和白藜芦醇调控的外源基因表达生物逻辑运算器、原儿茶酸和白藜芦醇调控的内源基因表达生物逻辑运算器，所述生物逻辑运算器的逻辑运算均包括与门(AND)，A不包括B(ANIMPLYB)即原儿茶酸不包括白藜芦醇门，B不包括A(B NIMPLYA)即白藜芦醇不包括原儿茶酸门，或非门(NOR)以及或门(OR)五种逻辑运算；其中，A代表原儿茶酸输入信号，B代表白藜芦醇输入信号；所述生物逻辑运算器为双输入、单输出的运算模式；所述双输入包括原儿茶酸和白藜芦醇两种输入信号；所述单输出包括输出信号报告蛋白d2EYFP、Luciferase、SEAP或任何一种特定基因或功能蛋白质的上调表达。
[0007]其中，所述原儿茶酸和白藜芦醇调控的基因表达与门(AND)是一种只有当信号都输入时才有信号输出的逻辑运算方式。所述与门包括两个版本的基因表达模块构建。第一个版本中，所述与门的基因表达模块包括三个基因表达模块，分别为强启动子驱动原儿茶酸响应重组转录抑制子KRAB
‑
PcaV表达的基因模块，强启动子驱动白藜芦醇响应重组转录抑制子TtgR
‑
KRAB表达的基因模块，以及原儿茶酸和白藜芦醇共同作用启动子P
PR1
驱动下游信号输出的基因表达模块。当信号都不输入时，重组转录抑制子KRAB
‑
PcaV和TtgR
‑
KRAB结合至P
PR1
上阻碍下游基因表达，信号不输出；只有当原儿茶酸和白藜芦醇信号同时输入时，重组转录抑制子KRAB
‑
PcaV和TtgR
‑
KRAB从P
PR1
上解离下来，促使下游基因表达，从而使信号得以输出。
[0008]其中，P
PR1
是由强启动子和PcaV、TtgR操纵子结合位点构成。所述PcaV操纵子结合位点是来源于原儿茶酸操纵子系统的操纵子元件O
PcaV
，所述TtgR操纵子结合位点是来源于白藜芦醇操纵子系统的操纵子元件O
TRC1
，所述的P
PR1
可驱动下游基因的表达。
[0009]其中，所述P
PR1
可根据强启动子的种类和操纵子O
PcaV
、O
TRC1
的不同拷贝数可组成不同类型的原儿茶酸和白藜芦醇调控型启动子，包括：a)SEQ ID NO.1所示的原儿茶酸和白藜芦醇联合诱导型启动子核苷酸序列P
PR1
‑1[(O
TRC1
)2‑
P
SV40
‑
O
PcaV
‑
(O
TRC1
)2]；b)SEQ ID NO.2所示的原儿茶酸和白藜芦醇联合诱导型启动子核苷酸序列P
PR1
‑2[(O
TRC1
)2‑
P
SV40
‑
(O
PcaV
)2‑
(O
TRC1
)2]；c)SEQ ID NO.3所示的原儿茶酸和白藜芦醇联合诱导型启动子核苷酸序列P
PR1
‑3[(O
TRC1
)2‑
P
SV40
‑
(O
PcaV
)3‑
(O
TRC1
)2]；d)SEQ ID NO.4所示的原儿茶酸和白藜芦醇联合诱导型启动子核苷酸序列P
PR1
‑4[(O
TRC1
)2‑
P
hCMV
‑
O
PcaV
‑
(O
TRC1
)2]；e)SEQ ID NO.5所示的原儿茶酸和白藜芦醇联合诱导型启动子核苷酸本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种原儿茶酸和白藜芦醇调控的基因表达生物逻辑运算器，其特征在于，所述生物逻辑运算器的逻辑运算包括与门(AND)，蕴含非门(A NIMPLY B和B NIMPLY A)，或非门(NOR)，和或门(OR)；其中，所述A代表原儿茶酸输入信号，所述B代表白藜芦醇输入信号；其中，所述基因表达包括外源基因表达、细胞内源基因表达；所述生物逻辑运算器为双输入、单输出的运算模式；所述双输入包括原儿茶酸和白藜芦醇两种输入信号；所述单输出包括输出信号报告蛋白d2EYFP、Luciferase、SEAP或任何一种特定基因或功能蛋白质的上调表达。2.如权利要求1所述的基因表达生物逻辑运算器，其特征在于，所述与门的基因表达模块包括：强启动子驱动原儿茶酸响应重组转录抑制子KRAB
‑
PcaV表达的基因模块，强启动子驱动白藜芦醇响应重组转录抑制子TtgR
‑
KRAB表达的基因模块，以及原儿茶酸和白藜芦醇共同作用启动子P
PR1
驱动下游信号输出的基因表达模块；所述P
PR1
是由强启动子和PcaV、TtgR操纵子结合位点构成；和/或，进一步包括强启动子驱动原儿茶酸转运蛋白PcaK表达的基因模块。3.如权利要求1所述的基因表达生物逻辑运算器，其特征在于，所述A不包括B门(A NIMPLY B)的基因表达模块包括：强启动子驱动白藜芦醇响应重组转录激活子TtgR
‑
VPR表达的基因模块，强启动子驱动原儿茶酸响应重组转录抑制子KRAB
‑
PcaV表达的基因模块，以及原儿茶酸和白藜芦醇共同作用启动子P
PR2
驱动下游信号输出的基因表达模块；其中，所述P
PR2
是由弱启动子的5
’
端紧接着TtgR操纵子结合位点以及3
’
端紧接着PcaV操纵子结合位点构成。4.如权利要求1所述的基因表达生物逻辑运算器，其特征在于，所述B不包括A门(B NIMPLY A)的基因表达模块包括：组成型启动子驱动原儿茶酸响应重组转录激活子PcaV
‑
VPR表达的基因模块，组成型启动子驱动白藜芦醇响应重组转录抑制子TtgR
‑
KRAB表达的基因模块，以及原儿茶酸和白藜芦醇共同作用启动子P
PR3
驱动下游信号输出的基因表达模块；其中，所述P
PR3
是由弱启动子的5
’
端紧接着PcaV操纵子结合位点以及3
’
端紧接着TtgR操纵子结合位点构成。5.如权利要求1所述的基因表达生物逻辑运算器，其特征在于，所述或非门的基因表达模块包括：组成型启动子驱动原儿茶酸响应重组转录激活子PcaV
‑
VPR表达的基因模块，原儿茶酸诱导型启动子驱动融合蛋白Coh2
‑
VP16表达的基因模块，组成型启动子驱动白藜芦醇响应重组转录激活子TtgR
‑
VPR表达的基因模块，白藜芦醇诱导型启动子驱动融合蛋白TetR
‑
Docs表达的基因模块，以及原儿茶酸和白藜芦醇共同作用启动子P
PR4
驱动下游信号输出的基因表达模块；其中，所述P
PR4
是由弱启动子的5
’
端紧接着TetR操纵子结合位点构成。6.如权利要求1所述的基因表达生物逻辑运算器，其特征在于，所述或门的基因表达模块包括：组成型启动子驱动原儿茶酸响应重组转录抑制子KRAB
‑
PcaV表达的基因模块，原儿茶酸诱导型启动子驱动Gal4
‑
VP64表达的基因模块，组成型启动子驱动白藜芦醇响应重组转录抑制子TtgR
‑
KRAB表达的基因模块，白藜芦醇诱导型启动子驱动融合蛋白Gal4
‑
VP64表达的基因模块，以及原儿茶酸和白藜芦醇共同作用启动子P
PR5
驱动下游信号输出的基因表达模块；其中，所述P
PR5
是由弱启动子的5
’
端紧接着Gal4操纵子结合位点构成。7.如权利要求1所述的基因表达生物逻辑运算器，其特征在于，还包括结合CRISPR/dCas9系统模块，其精准调控CRISPR/dCas9介导的内源基因表达。
8.如权利要求1所述的基因表达生物逻辑运算器，其特征在于，所述内源基因表达生物逻辑运算器包括处理器1和处理器2，所述处理器1的输出信号为包含MS2蛋白结构的转录激活因子；所述处理器2的输出信号为内源基因的激活与否。9.如权利要求8所述的基因表达生物逻辑运算器，其特征在于，所述处理器2的基因组成元件包含组成型表达dCas9和gRNA
MS2
，其中，所述gRNA
MS2
含有MS2蛋白的结合位点；所述基因表达生物逻辑运算器通过添加不同靶向内源基因的gRNA
MS2
可实现多个内源基因同时激活与否的逻辑运算。10.如权利要求1
‑
9之任一项所述基因表达生物逻辑运算器的构建方法，其特征在于，所述构建方法为各个逻辑运算所涉及的基因表达模块克隆至表达载体上，以完成各个逻辑运算的构建；所述构建方法包括以下步骤：基因合成各个逻辑运算所设计的基因表达模块；通过酶切酶连或基因无缝组装的方法将合成的基因片段克隆至表达载体上；筛选测序鉴定以获得包含基因表达模块的质粒。11.利用如权利要求1
‑
9之任一项所述基因表达生物逻辑运算器的调控表达方法，其特征在于，所述方法由各个逻辑运算中所包含的处理器进行调控；所述方法为以下至少一种或几种：与门调控表达方法：只有当原儿茶酸和白藜芦醇信号同时输入时，与门处理器中的重组转录抑制子KRAB
‑
PcaV和TtgR
‑
KRAB从P
PR...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶海峰，尹剑丽，万航，刘兴万，吴嘉丽，
申请(专利权)人：华东师范大学，
类型：发明
国别省市：