基于细菌群体感应的自杀基因回路的数学建模及其稳定性研究

摘要

细菌的自杀行为是自然界的一种常见现象，它是原核生物的一种程序性死亡机制。群体感应（quorum sensing,QS）是细菌细胞间的一种通讯形式。细胞合成并分泌信号分子，当环境中的信号分子浓度达到一定阈值时，一系列基因被激活，细菌种群会同步化地实现某些功能和行为上的改变。基于群体感应的自杀基因回路已经构建，对这一基因回路的系统研究和精确调控在理论和应用上都具有重要意义。
　　本论文以合成生物学的研究思路，以基于群体感应LuxR-LuxI体系的自杀基因回路为研究对象，将数学建模和分子生物学实验结合起来，模拟种群的生长和自杀行为，分析诱导剂IPTG浓度、pH值、温度、营养条件等因素对系统行为的影响，目的是实现系统回路的长期、稳定、可控的运行。本文还深入探讨了营养条件对群体感应Plux启动子的影响，发现了启动子上游两个调控序列对该启动子复杂微妙的调控机制，从而深化了对细菌群体感应的认识。
　　本论文建立的基因回路安装在pPopctrl质粒上，含有该质粒的大肠杆菌在有IPTG存在时会分泌一种信号分子（acyl-homoserine lactone,AHL），当AHL积累到一定阈值时会结合转录因子LuxR，并使之活化为LuxR*。后者启动Plux启动子的转录，CcdB毒蛋白表达并杀死细胞。本文通过常微分方程构建数学模型来研究菌群的生长和自杀行为。模型以 IPTG浓度、pH值、温度以及营养条件为自变量，以不同时间点菌液的菌落形成单位（colony forming unit，CFU）为因变量，模型与实验数据拟合良好。对各参数的独立分析表明：IPTG浓度与LuxR蛋白生成量正相关，IPTG浓度越高，LuxR*越多，Plux启动子启动越频繁，自杀越剧烈。pH值影响AHL分子的降解常数，pH值越大，AHL分子降解越快，信号分子浓度越低，自杀强度变小。温度影响细菌的比生长速率以及LuxR*的解离常数，30℃时，比生长速率较慢，但LuxR*蛋白最稳定，细菌的自杀行为显著强于37℃。
　　营养条件对基因回路的运行和细菌种群的自杀行为有重要影响。在贫营养的M9培养基中，几乎观察不到自杀现象，这暗示着群体感应潜在具有未知的、与营养水平相关的调控机制。为此，本文将Plux启动子下游的ccdB基因替换为绿色荧光蛋白基因，观察不同培养基、不同调控序列作用下的荧光表达情况。实验结果表明：野生型启动子Plux是弱的组成型启动子，有本底水平表达的能力，但其表达量几乎可以忽略，其主要依赖转录因子LuxR*的调控才能启动 GFP的大量表达。在启动子Plux上游存在luxbox序列和crp序列两个转录调控区域。在一般情况下，Plux启动子由与luxbox序列相关的luxR/I系统来调控，符合群体感应系统所介绍的调节规律。但当缺乏碳源或者营养匮乏时，cAMP升高，与cAMP结合蛋白结合生成cAMP-CRP蛋白复合物，此复合物能结合在crp序列上，在无AHL信号分子时，也能启动Plux。在有AHL存在时，CRP复合物与crp序列的结合反而阻抑luxbox与启动子Plux结合以及自身本底水平的表达。
　　本文建立的常微分方程的数学模型很好的模拟了细菌自杀回路的运行，对其中各相关因素的影响进行了定量分析，为回路的优化和稳定、可控创造了条件。同时，揭示了群体感应Plux启动子在不同营养条件下的调控机制，深化了对群体感应内在机制的认识，为进一步优化相关基因回路提供了思路。

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第一章 综述

1.1 合成生物学简介

1.2 细胞程序性死亡和细菌自杀行为

1.3 细菌群体感应系统

1.4 基于群体感应的自杀基因回路

1.5 数学模型简介

1.6 群体感应系统回路的分子调控

1.7 本论文的研究意义

第二章 基于群体感应的自杀回路及数学建模

2.1材料和方法

2.2 结果和分析

2.3 讨论

第三章 不同营养条件下QS系统的稳定性及其影响因素

3.1 材料和方法

3.2 结果和分析

3.3 讨论

第四章 结论与展望

4.1 结论

4.2 进一步工作的方向

参考文献

附录一

附录二

附录三

攻读学位期间取得的研究成果

致谢

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