CN104007151A - 一种基于肺癌标志物检测基因电路 - Google Patents
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Abstract
一种基于肺癌标志物检测基因电路，它由标志物单指标检测模块和融合电路模块组成，彼此之间顺序连接；所述标志物单指标检测模块，由上支路和下支路两条支路构成，该上支路包括并按顺序连接有：标志物启动电路Input-XY，反相器X-Z和反相器Z-Output；该下支路包括并按顺序连接有：标志物启动电路Input-Y，反相器Y-W，反相器W-Z和反相器Z-Output；所述融合电路模块由一个三端口输入的反相器ABC-G和反相器G-GFP按顺序连接而成。该基因电路结合了两模块的优点，快速响应和逻辑判断，实现了肺癌标志物的检测与报警作用。它在合成生物学技术领域里具有较好的实用价值和广阔地应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于肺癌标志物检测基因电路，属于合成生物学技术领域。
背景技术
肿瘤标志物(Tumor Marker)是反映肿瘤存在的化学类物质。它们或不存在于正常成人组织，或在肿瘤组织中的含量大大超过在正常组织里的含量，它们的存在或量变可以提示肿瘤的性质，借以了解肿瘤的组织发生、细胞分化、细胞功能，以帮助肿瘤的诊断、分类、预后判断以及治疗指导。肿瘤标志物检测法是一种较新的检测方法，能够发现较早期的癌症。检测肿瘤标志物的传统方法是血清检测、组织切片、免疫检测，成本及实验要求非常高，并且具有一定风险。
过去的几个世纪，分子生物学和细胞生物学方面的发展呈现了爆发式增长，人类可以完整认识生命过程并加以预测甚至精细控制。随着分子生物学技术的累积，基因工程的发展以及生物学与工程技术的结合，使得合成生物学开始迅速发展。基因电路作为合成生物学研究的领域之一，通过设计和构建生命体中不存在的生物组件和系统，有助于解决能源、材料、健康和环保问题。而在上世纪九十年代基因电路才真正发展起来，其各方面的研究也都处于起步阶段。从国内的生物信息学的研究现状来看，国内学者在生物信息学技术研究领域取得了一定的进展，也成立了一些生物信息学的专门研究机构，但不论从研究成果的丰富程度还是专门研究的数量上来看，都还处于起步阶段，和国际水平还有一定的差距。基因电路方面的研究和实验很少，国内目前仅查到第三军医大学和中科院软件所从事过基因电路方面的研究，研究重点集中于将基因电路应用于靶向治疗，提高治疗的准确度和精度。目前已经构建的单元电路有数字的与门、NAND门、RS锁存器、加法器以及模拟的振荡子、反向放大器等。通过将这些基本的单元电路组合起来，可以构建更为复杂的基因网络。Ron Weiss等人于1999年设计用来检测反相器物体特性的基因电路，可以看作是下边界检测电路最原始的模型。但是由于基因电路设计的复杂度和困难度，基因电路系统的搭建联调和参数优化都比较难实现。
发明内容
1.目的：本发明的目的是提供一种基于肺癌标志物检测基因电路，该电路克服了现有技术的不足，它由两部分构成：一是标志物单指标检测模块，二是融合电路模块，该电路结构结合了两者的优点，快速响应和逻辑判断。可以扬长避短，优化组合设计。
2.技术方案：一种基于肺癌标志物检测基因电路，它由标志物单指标检测模块和融合电路模块组成，两个模块彼此之间顺序连接。
所述标志物单指标检测模块，其输入端是标志物启动电路Input-XY，输出端是反相器Z-Output，该模块的输入物质Input是三种肺癌标志物(CEA、CA153、NSE)，输出蛋白质Output是蛋白质A,B和C。该模块由上支路和下支路两条支路构成，该上支路包括并按顺序连接有：标志物启动电路Input-XY，反相器X-Z和反相器Z-Output。该标志物启动电路Input-XY包括能被输入Input启动的启动子Pin，以及由Pin启动的同时编码蛋白质X和蛋白质Y的基因。该反相器X-Z包括被蛋白质X抑制启动的启动子PX以及由PX启动的编码蛋白质Z的基因。该反相器Z-Output包括被蛋白质Z抑制启动的启动子PZ以及由PZ启动的编码蛋白质Output的基因。该下支路包括并按顺序连接有：标志物启动电路Input-Y，反相器Y-W，反相器W-Z和反相器Z-Output。该标志物启动电路Input-XY包括能被输入Input启动的启动子Pin，以及由Pin启动的同时编码蛋白质X和蛋白质Y的基因。该反相器Y-W包括被蛋白质Y抑制启动的启动子PY以及由PY启动的编码蛋白质W的基因。该反相器W-Z包括被蛋白质W抑制启动的启动子PW以及由PW启动的编码蛋白质Z的基因。该反相器Z-Output包括被蛋白质Z抑制启动的启动子PZ以及由PZ启动的编码蛋白质Output的基因。
所述融合电路模块由一个三端口输入的反相器ABC-G和反相器G-GFP按顺序连接而成。该反相器ABC-G包括被蛋白质A,B和C抑制启动的启动子PABC以及由PABC启动的编码蛋白质G的基因。该反相器G-GFP包括被蛋白质G抑制启动的启动子PG以及由PG启动的编码绿色荧光蛋白质GFP的基因。
仿真结果显示，该融合电路模块在相同条件下检测效果更好，可操作性更强。标志物单指标测模块能够相互不产生干扰，独立完成单指标检测工作，融合电路能够对标志物单指标检测模块的输出进行逻辑输出，电路整体能够在三种肺癌标志物中的任意一种肺癌标志物浓度超过阈值的时候，快速生成绿色荧光蛋白质GFP进行报警。
3.优点与功效：
(1)本发明所设计的标志物单指标检测模块和融合电路模块相结合的系统，克服了单个模块独立工作时的干扰等不利因素，实现了肺癌标志物的检测与报警作用。
(2)本发明所涉及的融合电路抗干扰能力强，输出稳定，能够很好的实现预期的逻辑判断功能。
(3)本发明所涉及的标志物单指标检测模块以及融合电路模块均来自于相对研究比较深入的领域，对模型的仿真可以准确反映电路的性能。
附图说明：
图1是本发明所述基因电路结构的结构框图
图2是标志物单指标检测模块示意图。
图3是标志物单指标检测模块上支路示意图。
图4是标志物单指标检测模块下支路示意图。
图5是标志物启动电路示意图。
图6是反相器示意图。
图7是融合电路模块示意图。
PCEA，PCA153,PNSE,PX,PY,PW,PZ,PABC和PG代表各启动子，CEA,CA153，NSE为本发明选取的三种肺癌标志物，A,B,C,G,W,X,Y,Z和GFP表示各蛋白质，其中GFP表示绿色荧光蛋白质。其下标代表能够与之结合，抑制或触发该启动子启动转录的蛋白质。图中的虚线表示调控作用发生，其尾部的⊥代表抑制作用，箭头表示启动作用。
具体实施方式：
见图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7所示，本发明一种基于肺癌标志物检测基因电路，具体实施如下：它由标志物单指标检测模块和融合电路模块组成，两个模块之间彼此顺序连接。所述检测物单指标检测模块分别对三种肺癌标志物(CEA、CA153、NSE)进行检测，当检测到标志物浓度高于阈值水平时，该电路模块可以输出一个脉冲信号到下一级的融合电路。所述融合电路模块由一个三端口输入的反相器ABC-G和反相器G-GFP按顺序连接而成，融合电路模块的功能是在任意一个上述标志物单指标检测模块发出脉冲信号的时候，输出绿色荧光蛋白质GFP进行报警。
图1是肺癌标志物检测电路的整体示意图，标志物单指标检测模块分别对肺癌标志物CEA,CA153和NSE进行浓度检测，彼此之间不会产生相互干扰，当标志物当中的任何一种分子浓度超过阈值的时候，在标志物单指标检测模块的上，下支路作用下输出一个单脉冲信号传递给融合电路模块。融合电路模块的输入是上一级的信号，只要任意一个标志物单指标检测电路模块有信号输入，融合电路模块的输出-绿色荧光蛋白质GFP就会高表达，达到报警的作用。
图2是标志物单指标检测模块示意图，所述标志物单指标检测模块分别对三种肺癌标志物(CEA、CA153、NSE)进行检测。输入端是标志物启动电路Input-XY，输出端是反相器Z-Output，其中Input表示上述三种肺癌标志物(CEA、CA153、NSE)，Output表示标志物单指标检测模块的输出蛋白质A,B和C。该模块由上支路和下支路两条支路构成，该上支路包括并按顺序连结有：标志物启动电路Input-XY，反相器X-Z和反相器Z-Output。该标志物启动电路Input-XY包括能被输入Input启动的启动子Pin，以及由Pin启动的同时编码蛋白质X和蛋白质Y的基因。该反相器X-Z包括被蛋白质X抑制启动的启动子PX以及由PX启动的编码蛋白质Z的基因。该反相器Z-Output包括被蛋白质Z抑制启动的启动子PZ以及由PZ启动的编码蛋白质Output的基因。当检测到标志物浓度高于阈值水平时，通过上支路输出物浓度趋于高水平。该下支路包括并按顺序连结有：标志物启动电路Input-XY，反相器Y-W，反相器W-Z和反相器Z-Output。该标志物启动电路Input-XY包括能被输入Input启动的启动子Pin，以及由Pin启动的同时编码蛋白质X和蛋白质Y的基因。该反相器Y-W包括被蛋白质Y抑制启动的启动子PY以及由PY启动的编码蛋白质W的基因。该反相器W-Z包括被蛋白质W抑制启动的启动子PW以及由PW启动的编码蛋白质Z的基因。该反相器Z-Output包括被蛋白质Z抑制启动的启动子PZ以及由PZ启动的编码蛋白质Output的基因。当检测到标志物浓度高于阈值水平时，然后通过下支路输出物浓度趋于低水平。故该电路模块可以在单个标志物浓度升高的时候输出一个脉冲信号到下一级的融合电路。
图3是标志物单指标检测模块的上支路示意图，该上支路包括并按顺序连结有：标志物启动电路Input-XY，反相器X-Z和反相器Z-Output，其中Input表示上述三种肺癌标志物(CEA、CA153、NSE)，Output表示标志物单指标检测模块的输出蛋白质A,B和C。该标志物启动电路Input-XY包括能被输入Input启动的启动子Pin，以及由Pin启动的同时编码蛋白质X和蛋白质Y的基因。该反相器X-Z包括被蛋白质X抑制启动的启动子PX以及由PX启动的编码蛋白质Z的基因。该反相器Z-Output包括被蛋白质Z抑制启动的启动子PZ以及由PZ启动的编码蛋白质Output的基因。当标志物浓度低于阈值时，Pin关闭，转录禁止，蛋白质X低水平表达。对PX的抑制减少，蛋白质Z高水平表达，使PZ受到抑制，输出蛋白质Output表达受到抑制，低水平输出。当标志物浓度高于阈值时，Pin开启，蛋白质X高水平表达，使PX受到抑制，蛋白质Z低水平表达，对PZ的抑制减少，输出蛋白质Output表达受到的抑制减少，高水平输出。
图4是标志物单指标检测模块的下支路示意图，该下支路包括并按顺序连结有：标志物启动电路Input-XY，反相器Y-W，反相器W-Z和反相器Z-Output，其中Input表示上述三种肺癌标志物(CEA、CA153、NSE)，Output表示标志物单指标检测模块的输出蛋白质A,B和C。该标志物启动电路Input-XY包括能被输入Input启动的启动子Pin，以及由Pin启动的同时编码蛋白质X和蛋白质Y的基因。该反相器Y-W包括被蛋白质Y抑制启动的启动子PY以及由PY启动的编码蛋白质W的基因。该反相器W-Z包括被蛋白质W抑制启动的启动子PW以及由PW启动的编码蛋白质Z的基因。该反相器Z-Output包括被蛋白质Z抑制启动的启动子PZ以及由PZ启动的编码蛋白质Output的基因。当标志物浓度低于阈值时，Pin关闭，转录禁止,蛋白质Y低表达，对PY的抑制减少,蛋白质W高水平表达，使PW受到抑制，蛋白质Z低水平表达，对PZ的抑制减少，输出蛋白质Output表达受到的抑制减少，高水平输出。当标志物浓度高于阈值时，Pin开启，蛋白质Y高水平表达。使PY受到抑制,蛋白质W低水平表达，进而对PW的抑制减少，蛋白质Z高水平表达，使PZ受到抑制，输出蛋白质Output表达受到抑制，低水平输出。
图5是标志物启动电路的示意图，该标志物启动电路包括能被输入Input启动的启动子Pin，以及由Pin启动的同时编码蛋白质Output1和蛋白质Output2的基因。其中输入Input代表上述三种肺癌标志物(CEA、CA153、NSE)，蛋白质Output1和蛋白质Output2分别表示上述蛋白质X和蛋白质Y。当Input浓度低于阈值的时候，启动子Pin关闭，蛋白质Output1和蛋白质Output2低水平表达。当Input浓度高于阈值的时候，启动子Pin开启，蛋白质Output1和蛋白质Output2浓度高水平表达，并且由于基因的转录需按照基因排列的顺序来进行，则当Pin启动时，先转录翻译蛋白质Output1，再转录蛋白质Output2，所以当输入浓度不变的条件下，蛋白质Output2的生成曲线要滞后于蛋白质Output1的生成曲线。
图6是反相器的示意图，该反相器包括被输入蛋白质Input抑制启动的启动子Pin以及由Pin启动的编码蛋白质Output的基因。输入蛋白质Input浓度低于阈值的时候，对Pin的抑制减少，输出蛋白质Output高水平表达。当输入蛋白质Input浓度高于阈值的时候，使Pin受到抑制，输出蛋白质Output低水平输出。
图7是融合电路模块的示意图和它的电路逻辑功能示意图，它的输入来自于上一级标志物检测电路的输出蛋白质A，B和C，它的输出是绿色荧光蛋白质GFP。其作用机理是：绿色荧光蛋白质(图中表示为GFP)的表达，受到了上一种蛋白质G(NOT(OR(A,B,C)))的调控，当其与绿色荧光蛋白质调控区域Pg结合后，可抑制绿色荧光蛋白质GFP的表达。当蛋白质A,B和C中的任意一种浓度超过阈值的时候，都会使Pin受到抑制，蛋白质G低水平表达，对PG的抑制减少，绿色荧光蛋白GFP表达受到的抑制减少，高水平输出。当蛋白质A,B和C的浓度都低于阈值的时候，对Pin的抑制减少，蛋白质G高水平表达，使PG受到抑制，绿色荧光蛋白GFP表达受到抑制，低水平输出。
从以上肺癌标志物检测基因电路的各模块可以看出，它在相同条件下检测效果更好，可操作性更强。标志物单指标检测模块能够相互不产生干扰，并能够独立完成单指标检测工作，融合电路模块能够对标志物单指标检测模块的输出进行逻辑输出，电路整体能够在三种肺癌标志物中的任意一种肺癌标志物浓度超过阈值的时候，快速生成绿色荧光蛋白质GFP进行报警。
Claims (1)
1.一种基于肺癌标志物检测基因电路，其特征在于：它由标志物单指标检测模块和融合电路模块组成，彼此之间顺序连接；
所述标志物单指标检测模块，其输入端是标志物启动电路Input-XY，输出端是反相器Z-Output，该模块的输入物质Input是三种肺癌标志物CEA、CA153、NSE，输出蛋白质Output是蛋白质A,B和C；该模块由上支路和下支路两条支路构成，该上支路包括并按顺序连接有：标志物启动电路Input-XY，反相器X-Z和反相器Z-Output；该标志物启动电路Input-XY包括能被输入Input启动的启动子Pin，以及由Pin启动的同时编码蛋白质X和蛋白质Y的基因；该反相器X-Z包括被蛋白质X抑制启动的启动子PX以及由PX启动的编码蛋白质Z的基因；该反相器Z-Output包括被蛋白质Z抑制启动的启动子PZ以及由PZ启动的编码蛋白质Output的基因；该下支路包括并按顺序连接有：标志物启动电路Input-Y，反相器Y-W，反相器W-Z和反相器Z-Output；该标志物启动电路Input-XY包括能被输入Input启动的启动子Pin，以及由Pin启动的同时编码蛋白质X和蛋白质Y的基因；该反相器Y-W包括被蛋白质Y抑制启动的启动子PY以及由PY启动的编码蛋白质W的基因；该反相器W-Z包括被蛋白质W抑制启动的启动子PW以及由PW启动的编码蛋白质Z的基因；该反相器Z-Output包括被蛋白质Z抑制启动的启动子PZ以及由PZ启动的编码蛋白质Output的基因；
所述融合电路模块由一个三端口输入的反相器ABC-G和反相器G-GFP按顺序连接而成，该反相器ABC-G包括被蛋白质A,B和C抑制启动的启动子PABC以及由PABC启动的编码蛋白质G的基因；该反相器G-GFP包括被蛋白质G抑制启动的启动子PG以及由PG启动的编码绿色荧光蛋白质GFP的基因。
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