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順式作用元件是位于基因旁側序列中能影響基因表達的非編碼DNA序列。這些順式作用元件的突變可能影響與基因轉錄因子相互作用，從而調控基因表達，進而改變生物表型和適應度景觀。一個完整的適應度景觀由一個適應度函數定義，該函數將序列空間中的每個序列映射到其相關的適應度。但調控DNA序列與適應度建立的映射關系很難可靠地推廣到整個序列空間，因此構建完全的適應度景觀一直難以實現。

近日，美國科學家團隊在《Nature》上發表了題為“The evolution, evolvability and engineering of gene regulatory DNA”的文章，該研究基于釀酒酵母生物模式建立了啟動子（一種順式作用元件）深度神經網絡模型。

研究團隊利用數百萬個隨機取樣的啟動子序列及其在酵母中的測量表達水平，發現設計的“序列到表達”卷積神經網絡模型具有良好的預測性能，可用于基因表達工程的序列設計。利用該模型，團隊評估了在不同進化場景下對基因表達進化的適應性，發現在隨機遺傳漂移和“強選擇-弱突變”定向選擇等進化場景下，表達調控進化是快速的，并且受到“遞減回歸的基因上位性”影響；不同環境中相互沖突的表達目標限制表達適應性；基因表達的穩定選擇可緩和調節復雜性。團隊提出從調節序列的自然變異中檢測基因表達選擇特征的方法，并使用這種方法發現收斂表達調控進化的實例。團隊評估了調控序列突變的魯棒性，發現調節突變效應大小遵循冪律，可視化了啟動子適應度景觀，說明了自然調節序列群體的突變穩健性。

研究團隊的工作為表達調控序列的設計和表達調控基本問題提供了通用框架，可促進合成生物學、細胞和基因治療以及代謝工程進一步發展。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-04506-6

注：此研究成果摘自《Nature》雜志，文章內容不代表本網站觀點和立場，僅供參考。