2014 Fiscal Year Annual Research Report
プロモーター配列の情報科学的解体と再構成による遺伝子回路の設計
Publicly Offered Research
| Project Area | Synthetic biology for the comprehension of biomolecular networks |
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| Project/Area Number |
26119717
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| Research Institution | Kyushu Institute of Technology |
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Principal Investigator |
矢田 哲士 九州工業大学, 大学院情報工学研究院, 教授 (10322728)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | プロモーターの配列設計 / 遺伝子の転写調節 / ヒトゲノム / バイオインフォマティクス解析 / 次世代シークエンサー解析 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
人工の遺伝子回路の素子は互いに干渉することが多く、この複雑さが細胞をプログラムするために使える素子の数を制限し、回路の大規模化とプログラムの多様化の大きな障壁になっている。この障壁を打ち破るためには、求められる転写活性(培養細胞における転写強度)を備えたプロモーターの塩基配列を巧みに設計する技術を確立することが必須である。しかし、プロモーターの塩基配列と転写活性の関係には未知の部分が多く、これまでは、限られた知識によってその塩基配列が設計されてきた。
ここでは、発見的で限定的な知識ではなく、体系的で網羅的な知識に基づいたプロモーターの塩基配列の設計を実現し、人工遺伝子回路の大規模化と細胞プログラムの多様化への道を開く。そこで、野生型プロモーターに数%のランダムな変異を導入した数万種類の変異型プロモーターの塩基配列と転写活性のデータを用い、体系的で網羅的な知識に基づいたプロモーター配列の設計を試みる。導入される変異が数%に限られるので、野生型プロモーターとその変異型プロモーターは似た転写調節を受けると考えられる。
この試みを、ヒト培養細胞 HEK293 で強い転写活性を示す遺伝子 EF1a1 に適用したところ、その野生型プロモーターに数塩基の置換を導入するだけで転写強度を更に強めることに成功した。こととき、これらのプロモーターの転写強度の実験値と事前の計算値は良好な相関を示した。今後は、より多様なプロモーターについて、同じ試みを繰り返す予定である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
人工遺伝子回路の大規模化と細胞プログラムの多様化への道を開くために、ここでは、体系的で網羅的な知識に基づいたプロモーターの塩基配列の設計を実現する。そこで、野生型プロモーターについて、数万種類の変異型を用意し、それらの転写活性と塩基配列を体系的に測定する実験系を確立した。また、この実験系による測定データに基づいて、野生型プロモーターとその変異型プロモーターの転写活性を1塩基レベルの解像度で推定する回帰モデルを導出するアルゴリズムを開発した。さらに、この実験系とアルゴリズムを用い、ヒトEF1a1プロモーターとその変異型プロモーターの転写活性を推定する回帰モデルを導出し、その回帰モデルに基づいたEF1a1プロモーターの設計を塩基レベルの解像度で試みた。
ここでは、-1,000～+100領域(転写開始点は+1)のEF1a1プロモーターについて、約39,000サンプルの変異型を用意し、それらの転写活性と塩基配列を体系的に測定した。このデータに基づいて転写活性の回帰モデルを導出したところ、それは、コアプロモーター領域(-200～+50領域)を314個のパラメータでモデル化していた。また、その回帰モデルの実験値と計算値の相関係数を10分割交差検定によって調べたところ、0.655であった。さらに、この回帰モデルに基づいて、EF1a1プロモーターの転写活性の増大が期待される塩基置換を組合せ的に野生型プロモーターに導入したところ、それらの全てが野生型プロモーターの転写活性を増大させた。このとき、置換の導入が転写活性の増大に与える影響はほぼ相加的で、また、転写活性の実測値と回帰モデルによるその推定値との相関係数は0.954だった。このことは、転写活性の回帰モデルがEF1a1プロモーターとその設計プロモーターの転写活性を塩基レベルの解像度で推定していることを示している。
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| Strategy for Future Research Activity |
EF1a1 の野生型プロモーターは、HEK293 で高い転写強度を示すことで知られているが、これまでに、その塩基配列に数塩基の置換を導入するだけでHEK293 における転写強度を更に強めることに成功した。一方、プロモーターは、GC-rich/AT-rich、TATA-containing/TATA-less、標準/選択的で特徴付けることができ、EF1a1 の野生型プロモーターは GC-rich で TATA-containing な標準プロモーターとして知られている。今後は、まず、より多くのタイプのプロモーター(例えば、AT-rich で TATA-less な選択的プロモーター)について、同じ試みを繰り返す。また、より複雑な条件におけるプロモーターの塩基配列の設計、具体的には、2種類の培養細胞での転写強度を強めるプロモーターの塩基配列の設計に挑む。
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Research Products
(3 results)
