バクテリアにおける遺伝子制御の原理は、DNA、RNA、タンパク質を定量的に結びつけている

バクテリアにおける遺伝子制御の原理は、DNA、RNA、タンパク質を定量的に結びつけている
ROHAN BALAKRISHNAN HTTPS://ORCID.ORG/0000-0002-7547-8565, MATTEO MORI HTTPS://ORCID.ORG/0000-0002-6263-8021, [...], AND TERENCE HWA HTTPS://ORCID.ORG/0000-0003-1837-6842 +4著者情報・所属団体名
サイエンス
2022年12月9日
第378巻 第6624号
DOI: 10.1126/science.abk2066
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セントラルドグマを計算する
遺伝子発現は理論的には転写または翻訳のレベルで調節することができるが、これらのプロセスはいずれもその出力の予測を複雑にする制約を持っている。Balakrishnanらは、細菌における遺伝子発現の制御についてより定量的に理解するために、大腸菌の1500以上の遺伝子について、さまざまな増殖条件下でプロモーターオンレート、メッセンジャーRNA量、タンパク質量を測定した。タンパク質量は、遺伝子プロモーターのオンレートと転写を大きく反映するが、タンパク質濃度を一定に保ち、リボソーム数、つまり翻訳能力を制限する一般的な制約に従わなければならない。著者らは、RNAポリメラーゼの利用可能性を制御する因子Rsdを通して、転写と翻訳のバランスをとることを提案している。この結果は、バクテリアの合成回路の設計や、様々な生育条件下でのバクテリアの挙動を予測するのに役立つと思われる。-LBR
構造化アブストラクト
はじめに
タンパク質の細胞内濃度は、転写、翻訳、メッセンジャーRNA（mRNA）やタンパク質の分解や希釈など、いくつかのプロセスの速度に依存している。これらの速度は、遺伝子固有の制御により、異なる遺伝子や異なる生育条件下で大きく異なることがある。システムレベルでは、タンパク質濃度は、RNAポリメラーゼやリボソームなど、共有の遺伝子発現機構の利用可能性によってさらに影響を受け、ほぼ不変の細胞質量密度によって制約される。最もよく知られたモデル生物の一つである大腸菌でさえ、遺伝子レベルの効果とシステムレベルの効果がどのように作用して細胞内プロテオームを形成しているのかは不明である。このような知識のギャップは、遺伝子発現の予測フレームワークを構築する上で障害となっているだけでなく、遺伝子回路の合理的な設計を導く上でも重要な役割を果たしている。
解説
我々は、実験と理論的アプローチを組み合わせたゲノムスケールの定量的研究を実施し、指数関数的に成長する大腸菌の細胞内タンパク質濃度に対する特異的および全体的な影響の寄与を、様々な成長条件下で明らかにした。ゲノムスケールのプロテオミクスおよびトランスクリプトミクスデータを、絶対的なmRNAの総量および合成速度の生化学的測定で補完しました。これらの測定値を遺伝子の投与量、リボソームおよびRNAポリメラーゼの濃度と比較し、条件間での遺伝子発現装置の活性を定量的に明らかにしました。この包括的なデータセットにより、遺伝子発現装置の活性、個々のプロモーターの活性、結果として生じるタンパク質濃度の間の相互作用を定量的に詳細に分析することができた。
結果
遺伝子、mRNA、タンパク質の濃度から、何千もの遺伝子の転写および翻訳開始の速度、mRNAの分解速度まで、様々な条件下での遺伝子発現の決定要因について包括的なアトラスを作成することができた。その結果、各プロモーターのオン率を求めることができた。これは、既存のほとんどの遺伝子発現研究では捉えられなかった、転写制御の全体的な効果を表す量である。その結果、ほとんどの遺伝子の細胞質タンパク質濃度は、プロモーターのオン率の大きさ（3桁以上）によって決定されていることが明らかになった。成長条件の変化によるタンパク質濃度の変化は、通常、1桁以内と非常に小さく、そのほとんどが転写開始の変化を通して発揮された。
大腸菌の遺伝子制御戦略は、2つの設計原則に集約される。まず、タンパク質濃度は主に転写によって設定され、転写後の特性（翻訳効率と分解率）はほとんどのmRNAと増殖条件において比較的一定である。第二に、転写と翻訳の全体的なフラックスは、緊密に調整されている。mRNAとリボソームの量はそれぞれ大きく異なるが、1キロベースあたり5個のリボソームの平均密度は、mRNAの種類や成長条件によってほぼ一定である。この調整は、アンチシグマ因子Rsdによって行われ、異なる成長条件下でRNAポリメラーゼが転写に利用できるように調整されていることがわかった。これらの2つの原理は、バクテリアの遺伝子発現のセントラルドグマの定量的定式化につながり、mRNAとタンパク質の濃度を対応するプロモーターの制御活性と結びつけるものである。
結論
これらの定量的関係は、大腸菌が複雑な生理的制約にもかかわらず、望ましいタンパク質濃度を達成するために用いる予想外に単純な戦略を明らかにしている。個々のタンパク質濃度は主に遺伝子特異的な転写調節によって設定され、グローバルな転写調節はタンパク質合成の強い成長率依存性を打ち消すように設定されている。これらの関係は、異なる条件下におけるより複雑な遺伝子回路の挙動を理解するための基礎となり、また、観測されたmRNAおよびタンパク質レベルから制御活動を推測する逆問題の基礎となる。

大腸菌の遺伝子発現を支配する原理
RNAポリメラーゼ（RNAP）の利用可能性はリボソームのそれと協調しており、mRNAの特性（翻訳効率と分解速度）はほとんどの遺伝子と生育条件において一様である。この2つの原則により、ほとんどの遺伝子でタンパク質濃度がプロモーターレベルでほぼ完全に制御される、シンプルな遺伝子発現戦略が規定されている。
概要
タンパク質濃度は、遺伝子固有の制御過程と、細胞量や共有の遺伝子発現機構などのシステム的要因との間の複雑な相互作用によって設定される。この相互作用を解明することは、遺伝子制御システムを見極め、設計するために極めて重要である。我々は、大腸菌の転写と翻訳に影響を与える遺伝子特異的およびシステム的な因子を、多くの条件下でゲノムワイドに定量的に評価した。その結果、遺伝子発現の制御を、共有するマシーナリーの濃度から隔離する2つの設計原理を明らかにした。RNAポリメラーゼの活性は翻訳出力に合わせて微調整されており、翻訳特性はほとんどのメッセンジャーRNA（mRNA）で類似している。その結果、バクテリアでは、タンパク質濃度は主にプロモーターレベルで設定される。プロモーター活性とタンパク質濃度を関係付ける簡単な数式により、オミックスデータから遺伝子制御を定量的に推測することができます。
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参考文献と注釈
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A. L. Goldberg, A. C. St. John, 哺乳類および細菌細胞における細胞内タンパク質分解。Part 2. Annu. Rev. Biochem.45, 747-803 (1976).
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