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使用DNA结合蛋白对超螺旋动力学和转录进行建模控制

Modeling Control of Supercoiling Dynamics and Transcription Using DNA-Binding Proteins.

作者信息

Clark Harris, Taylor Aleczander, Yeung Enoch

出版信息

IEEE Control Syst Lett. 2024;8:2253-2258. doi: 10.1109/lcsys.2024.3406268. Epub 2024 May 27.

DOI:10.1109/lcsys.2024.3406268
PMID:39391807
原文链接:https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC11466313/
Abstract

Nearly all natural and synthetic gene networks rely on the fundamental process of transcription to enact biological feedback, genetic programs, and living circuitry. In this work, we investigate the efficacy of controlling transcription using a new biophysical mechanism, control of localized supercoiling near a gene of interest. We postulate a basic reaction network model for describing the general phenomenon of transcription and introduce a separate set of equations to describe the dynamics of supercoiling. We show that supercoiling and transcription introduce a shared reaction flux term in the model dynamics and illustrate how the modulation of supercoiling can be used to control transcription rates. We show the supercoiling-transcription model can be written as a nonlinear state-space model, with a radial basis function nonlinearity to capture the empirical relationship between supercoiling and transcription rates. We show the system admits a single, globally exponentially stable equilibrium point. Notably, we show that mRNA steady-state levels can be controlled directly by increasing a length-scale parameter for genetic spacing. Finally, we build a mathematical model to explore the use of a DNA binding protein, to define programmable boundary conditions on supercoiling propagation, which we show can be used to control transcriptional bursting or pulsatile transcriptional response. We show there exists a stabilizing control law for mRNA tracking, using the method of control Lyapunov functions and illustrate these results with numerical simulations.

摘要

几乎所有的天然和合成基因网络都依赖于转录这一基本过程来实现生物反馈、遗传程序和生命电路。在这项工作中,我们研究了使用一种新的生物物理机制——控制目标基因附近的局部超螺旋来控制转录的效果。我们假定了一个基本反应网络模型来描述转录的一般现象,并引入了一组单独的方程来描述超螺旋的动力学。我们表明,超螺旋和转录在模型动力学中引入了一个共享的反应通量项,并说明了如何利用超螺旋的调制来控制转录速率。我们表明,超螺旋 - 转录模型可以写成一个非线性状态空间模型,具有径向基函数非线性来捕捉超螺旋和转录速率之间的经验关系。我们表明该系统存在一个全局指数稳定的平衡点。值得注意的是,我们表明可以通过增加基因间距的长度尺度参数直接控制mRNA稳态水平。最后,我们建立了一个数学模型来探索使用一种DNA结合蛋白来定义超螺旋传播的可编程边界条件,我们表明这可用于控制转录爆发或脉动转录反应。我们表明存在一种用于mRNA跟踪的稳定控制律,使用控制李雅普诺夫函数的方法并用数值模拟说明了这些结果。

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