CN104101628A

CN104101628A - 一种实现脑胶质瘤标志物检测的基因电路结构

Info

Publication number: CN104101628A
Application number: CN201410268373.7A
Authority: CN
Inventors: 王翔; 曾梓臻; 陈瀚; 王维克; 杜培; 刘金静
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2014-06-16
Filing date: 2014-06-16
Publication date: 2014-10-15
Anticipated expiration: 2034-06-16
Also published as: CN104101628B

Abstract

一种实现脑胶质瘤标志物检测的基因电路结构，它由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；所述单指标检测模块是由一个反相器构成，该反相器是由一个输入端，一个输出端和一个反向模块组成，其功能是对输入信号求反并输出反向信号；所述融合电路由一个三端口输入的与非门构成，该与非门是对输入求与非运算，在三个输入均为高水平的时候，电力路输出一个低水平信号。本发明结构简单，响应速度块，输出稳定，性能好，克服了单个模块独立工作时的干扰等不利因素，实现了脑胶质瘤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

一种实现脑胶质瘤标志物检测的基因电路结构

技术领域

本发明涉及一种实现脑胶质瘤标志物检测的基因电路结构，属于合成生物学技术领域。

背景技术

神经胶质瘤(glioma)包括多种不同类别的恶性脑肿瘤，大约占人类原发性脑肿瘤的50％～60％，有较高的发病率和死亡率。随着年龄增长，人类的大脑神经胶质瘤越来越普遍。大脑神经胶质瘤的渗透性的增长与其恶性程度相关。恶性脑胶质瘤的特点是其有入侵倾向和容易复发。

与癌症肿瘤发生密切相关的一类大分子物质被称之为肿瘤标志物(Tumor Marker)。肿瘤标志物可以从血液或体液中检测到，其成分主要是大分子蛋白质，包括肿瘤相关抗原、异位激素、酶和宿主抗肿瘤免疫级联反应的改变等。现已有100多种大分子肿瘤标志物，已知的癌基因也达90多个，这其中有相当一部分可用于肿瘤转移和复发的检测。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中的一部分，使用电路学知识来设计基因调控网络，依赖于基因调控网络的研究进展及人们对像DNA这样的生物分子的操纵能力。基因电路将不同基因按照一定规则连接在一起，上游基因的蛋白调控下游基因的表达活性，环环相扣，从而完成特定的生物学功能。将基因网络和电子电路作类比，在这种类比下，成熟的电路分析方法可以用来分析基因网络的功能和结构，还可以将电子电路的一些设计技术借鉴到基因网络的人工合成之中。随着基因工程和分子生物学的不断进步，九十年代以后不管是在单元电路还是细胞间通信方面人工基因电路都有了长足的进步，并在组织工程、生物分子材料、制药工程和生物传感器等领域显示出广泛的应用前景。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。利用基因电路，人们可以精确地操纵细胞行为，满足人类需要。根据肿瘤细胞生物学特性，构建特定的基因电路，下载给工程细胞，使其能够识别和跟踪肿瘤细胞，而实现肿瘤的早期诊断。利用肿瘤特异性标志物作为输人蛋白，通过相应的基因调控序列诱导报告基因表达，再进一步检测报告基因，识别肿瘤细胞。配合特定的放大基因电路，可大大提高肿瘤细胞检测敏感性和特异性。

发明内容

1.目的：本发明的目的是提供一种实现脑胶质瘤标志物检测的基因电路结构。该电路克服了现有技术的不足，它由两部分构成：一是单指标检测模块，二是融合电路模块，上述两个模块顺序连接。该电路结构结合了两者的优点，快速响应和逻辑判断。

2.技术方案：本发明一种实现脑胶质瘤标志物检测的基因电路结构，它由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。

所述单指标检测模块是由一个反相器构成的。该反相器是由一个输入端，一个输出端和一个反向模块组成，其主要功能是对输入信号求反并输出反向信号。对于三种脑胶质瘤标志物GFAP，YKL-40和CD133，其输入端分别是In1，In2和In3，对应的输出端分别是OUT1，OUT2和OUT3。而反向模块是通过蛋白质与启动子之间的相互作用，对输入信号进行求反运算。

所述融合电路由一个三端口输入的与非门构成。该与非门是对输入求与非运算，在三个输入均为高水平的时候，电力路输出一个低水平信号。它的输入是三个单指标电路的输出端OUT1，OUT2和OUT3生成的三种蛋白质A，B，C；当三种脑胶质瘤标志物GFAP，YKL-40和CD133的浓度任意一种超标的时候，它的输出是绿色荧光蛋白，表示预警，否则不输出绿色荧光蛋白。

仿真结果显示，该基因电路在相同条件下检测效果更好，可操作性更强。由于基因电路结构简单，所以单指标检测模块和融合电路模块的响应都很快。并且，单指标检测模块能够相互不产生干扰，独立完成单指标检测工作。融合电路模块能够对单指标检测模块进行逻辑输出，基因电路整体能够在三种脑胶质瘤标志物中的任意一种浓度超过阈值的时候，快速生成荧光蛋白进行报警。

3.优点与功效：

(1)本发明所设计的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，实现了脑胶质瘤标志物的检测与报警作用。

(2)本发明所设计的单指标检测模块结构简单，响应速度块，性能好。

(3)本发明所设计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。

(4)本发明所涉及的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是本发明脑胶质瘤标志物检测电路示意图。

图2是单指标检测模块示意图。

图3是融合电路模块示意图。

图中符号说明如下：

P₁，P₂，P₃，P_M和P_abc代表各启动子，GFAP，YKL-40和CD133为本发明选取的三种脑胶质瘤标志物，M，X，A，B，C和GFP表示各蛋白，其中GFP表示绿色荧光蛋白；图中In1，In2，In3代表三种脑胶质瘤标志物对应的输入端，OUT1，OUT2，OUT3代表三个单指标检测电路分别对应的输出端；图中的虚线表示调控作用发生，其尾部的⊥代表抑制作用；DNA表示合成蛋白质所需要的DNA序列。

具体实施方式

见图1、图2、图3所示，一种实现脑胶质瘤标志物检测的基因电路结构，具体实施如下：它由单指标检测模块、融合电路模块组成，两个模块彼此之间顺序连接。所述单指标检测模块是由一个反相器构成的。该反相器是由一个输入端，一个输出端和一个反向模块构成，其主要功能是对输入信号求反并输出反向信号。该模块分别对三种脑胶质瘤标志物GFAP，YKL-40和CD133进行检测，输入端分别是In1，In2和In3，对应的输出端分别是OUT1，OUT2和OUT3。所述融合电路模块由一个三端口输入的与非门构成。GFP(绿色荧光蛋白质)的表达受到输入的三种蛋白质A，B，C的调控，当A，B，C的浓度均为高的时候，GFP的表达受到抑制，不输出绿色荧光蛋白；当A，B，C中有一种或以上的浓度为低的时候，GFP的表达将不受抑制，输出绿色荧光蛋白。整个系统的功能即是在三种脑胶质瘤标志物任意一种浓度超过阈值时，就会输出GFP进行报警。

图1是脑胶质瘤标志物检测电路的整体示意图，单指标检测模块分别对脑胶质瘤标志物GFAP，YKL-40和CD133进行浓度检测，彼此之间不会产生相互干扰，当脑胶质瘤标志物当中的任何一种分子浓度超过阈值的时候，与之对应的单指标检测模块会传递一个低水平信号给融合电路模块。融合电路模块的输入是上一级的信号，只有在所有单指标检测电路均有高水平输出的时候，融合电路模块才不会输出绿色荧光蛋白，其他情况，融合电路模块均会输出绿色荧光蛋白进行报警。

图2是单指标检测模块，该模块是由一个反相器构成，该反相器是由一个输入端，一个输出端和一个反向模块构成，其主要功能是对输入信号求反并输出反向信号。它的输入是脑胶质瘤标志物对应的蛋白质M，它的输出是蛋白质X。而反向模块是通过蛋白质与启动子之间的相互作用，对输入信号进行求反运算。其作用机理是：在输入脑胶质瘤标志物对应的蛋白质M之后，该蛋白质会与启动子P_M相结合，从而抑制合成蛋白质X的基因的转录和翻译，最终抑制蛋白质X的表达。

图3是融合电路模块的示意图，它的输入来自于上一级各个单指标检测电路的输出，它的输出是GFP。其作用机理是：GFP的表达受到输入的三种蛋白质A，B，C的调控，而A，B和C蛋白必须同时与启动子P_ABC结合，才能抑制该段基因的转录启动，即当A，B，C的浓度均为高的时候，GFP的表达受到抑制，不输出绿色荧光蛋白；当A，B，C中有一种或以上的浓度为低的时候，GFP的表达将不受抑制，输出绿色荧光蛋白。

从以上脑胶质瘤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。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脑胶质瘤标志物中的任意一种标志物浓度超过阈值的时候，快速生成荧光蛋白进行报警。

Claims

1.一种实现脑胶质瘤标志物检测的基因电路结构，其特征在于：它由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；

所述单指标检测模块是由一个反相器构成，该反相器是由一个输入端，一个输出端和一个反向模块组成，其功能是对输入信号求反并输出反向信号；对于三种脑胶质瘤标志物GFAP，YKL-40和CD133，其输入端分别是In1，In2和In3，对应的输出端分别是OUT1，OUT2和OUT3；而反向模块是通过蛋白质与启动子之间的相互作用，对输入信号进行求反运算；

所述融合电路由一个三端口输入的与非门构成，该与非门是对输入求与非运算，在三个输入均为高水平的时候，电力路输出一个低水平信号；它的输入是三个单指标电路的输出端OUT1，OUT2和OUT3生成的三种蛋白质A，B，C；当三种脑胶质瘤标志物GFAP，YKL-40和CD133的浓度任意一种超标的时候，它的输出是绿色荧光蛋白，表示预警，否则不输出绿色荧光蛋白。