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一種基于肺癌標志物檢測基因電路的制作方法
【專利摘要】一種基于肺癌標志物檢測基因電路，它由標志物單指標檢測模塊和融合電路模塊組成，彼此之間順序連接；所述標志物單指標檢測模塊，由上支路和下支路兩條支路構(gòu)成，該上支路包括并按順序連接有：標志物啟動電路Input-XY，反相器X-Z和反相器Z-Output；該下支路包括并按順序連接有：標志物啟動電路Input-Y，反相器Y-W，反相器W-Z和反相器Z-Output；所述融合電路模塊由一個三端口輸入的反相器ABC-G和反相器G-GFP按順序連接而成。該基因電路結(jié)合了兩模塊的優(yōu)點，快速響應(yīng)和邏輯判斷，實現(xiàn)了肺癌標志物的檢測與報警作用。它在合成生物學(xué)【技術(shù)領(lǐng)域】里具有較好的實用價值和廣闊地應(yīng)用前景。
【專利說明】—種基于肺癌標志物檢測基因電路
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于肺癌標志物檢測基因電路，屬于合成生物學(xué)【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]腫瘤標志物(Tumor Marker)是反映腫瘤存在的化學(xué)類物質(zhì)。它們或不存在于正常成人組織，或在腫瘤組織中的含量大大超過在正常組織里的含量，它們的存在或量變可以提示腫瘤的性質(zhì)，借以了解腫瘤的組織發(fā)生、細胞分化、細胞功能，以幫助腫瘤的診斷、分類、預(yù)后判斷以及治療指導(dǎo)。腫瘤標志物檢測法是一種較新的檢測方法，能夠發(fā)現(xiàn)較早期的癌癥。檢測腫瘤標志物的傳統(tǒng)方法是血清檢測、組織切片、免疫檢測，成本及實驗要求非常聞，并且具有一定風(fēng)險。
[0003]過去的幾個世紀，分子生物學(xué)和細胞生物學(xué)方面的發(fā)展呈現(xiàn)了爆發(fā)式增長，人類可以完整認識生命過程并加以預(yù)測甚至精細控制。隨著分子生物學(xué)技術(shù)的累積，基因工程的發(fā)展以及生物學(xué)與工程技術(shù)的結(jié)合，使得合成生物學(xué)開始迅速發(fā)展?；螂娐纷鳛楹铣缮飳W(xué)研究的領(lǐng)域之一，通過設(shè)計和構(gòu)建生命體中不存在的生物組件和系統(tǒng)，有助于解決能源、材料、健康和環(huán)保問題。而在上世紀九十年代基因電路才真正發(fā)展起來，其各方面的研究也都處于起步階段。從國內(nèi)的生物信息學(xué)的研究現(xiàn)狀來看，國內(nèi)學(xué)者在生物信息學(xué)技術(shù)研究領(lǐng)域取得了一定的進展，也成立了一些生物信息學(xué)的專門研究機構(gòu)，但不論從研究成果的豐富程度還是專門研究的數(shù)量上來看，都還處于起步階段，和國際水平還有一定的差距?；螂娐贩矫娴难芯亢蛯嶒灪苌?，國內(nèi)目前僅查到第三軍醫(yī)大學(xué)和中科院軟件所從事過基因電路方面的研究，研究重點集中于將基因電路應(yīng)用于祀向治療，提聞治療的準確度和精度。目前已經(jīng)構(gòu)建的單元電路有數(shù)字的與門、NAND門、RS鎖存器、加法器以及模擬的振蕩子、反向放大器等。通過將這些基本的單元電路組合起來，可以構(gòu)建更為復(fù)雜的基因網(wǎng)絡(luò)。Ron Weiss等人于1999年設(shè)計用來檢測反相器物體特性的基因電路，可以看作是下邊界檢測電路最原始的模型。但是由于基因電路設(shè)計的復(fù)雜度和困難度，基因電路系統(tǒng)的搭建聯(lián)調(diào)和參數(shù)優(yōu)化都比較難實現(xiàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]1.目的:本發(fā)明的目的是提供一種基于肺癌標志物檢測基因電路，該電路克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足，它由兩部分構(gòu)成:一是標志物單指標檢測模塊，二是融合電路模塊，該電路結(jié)構(gòu)結(jié)合了兩者的優(yōu)點，快速響應(yīng)和邏輯判斷?？梢該P長避短，優(yōu)化組合設(shè)計。
[0005]2.技術(shù)方案:一種基于肺癌標志物檢測基因電路，它由標志物單指標檢測模塊和融合電路模塊組成，兩個模塊彼此之間順序連接。
[0006]所述標志物單指標檢測模塊,其輸入端是標志物啟動電路Input-ΧΥ,輸出端是反相器Z-Output，該模塊的輸入物質(zhì)Input是三種肺癌標志物(CEA、CA153、NSE)，輸出蛋白質(zhì)Output是蛋白質(zhì)A，B和C。該模塊由上支路和下支路兩條支路構(gòu)成，該上支路包括并按順序連接有:標志物啟動電路Input-ΧΥ,反相器X-Z和反相器Z-Output。該標志物啟動電路Input-ΧΥ包括能被輸入Input啟動的啟動子Pin，以及由Pin啟動的同時編碼蛋白質(zhì)X和蛋白質(zhì)Y的基因。該反相器X-Z包括被蛋白質(zhì)X抑制啟動的啟動子Px以及由Px啟動的編碼蛋白質(zhì)Z的基因。該反相器Z-Output包括被蛋白質(zhì)Z抑制啟動的啟動子Pz以及由Pz啟動的編碼蛋白質(zhì)Output的基因。該下支路包括并按順序連接有:標志物啟動電路Input-Y,反相器Y-W,反相器W-Z和反相器Z-Output。該標志物啟動電路Input-ΧΥ包括能被輸入Input啟動的啟動子Pin，以及由Pin啟動的同時編碼蛋白質(zhì)X和蛋白質(zhì)Y的基因。該反相器Y-W包括被蛋白質(zhì)Y抑制啟動的啟動子Py以及由Py啟動的編碼蛋白質(zhì)W的基因。該反相器W-Z包括被蛋白質(zhì)W抑制啟動的啟動子Pw以及由Pw啟動的編碼蛋白質(zhì)Z的基因。該反相器Z-Output包括被蛋白質(zhì)Z抑制啟動的啟動子Pz以及由Pz啟動的編碼蛋白質(zhì)Output的基因。
[0007]所述融合電路模塊由一個三端口輸入的反相器ABC-G和反相器G-GFP按順序連接而成。該反相器ABC-G包括被蛋白質(zhì)A，B和C抑制啟動的啟動子Pabc以及由Pabc啟動的編碼蛋白質(zhì)G的基因。該反相器G-GFP包括被蛋白質(zhì)G抑制啟動的啟動子Pe以及由Pe啟動的編碼綠色熒光蛋白質(zhì)GFP的基因。
[0008]仿真結(jié)果顯示，該融合電路模塊在相同條件下檢測效果更好，可操作性更強。標志物單指標測模塊能夠相互不產(chǎn)生干擾，獨立完成單指標檢測工作，融合電路能夠?qū)酥疚飭沃笜藱z測模塊的輸出進行邏輯輸出，電路整體能夠在三種肺癌標志物中的任意一種肺癌標志物濃度超過閾值的時候，快速生成綠色熒光蛋白質(zhì)GFP進行報警。
[0009]3.優(yōu)點與功效:
[0010](I)本發(fā)明所設(shè)計的標志物單指標檢測模塊和融合電路模塊相結(jié)合的系統(tǒng)，克服了單個模塊獨立工作時的干擾等不利因素，實現(xiàn)了肺癌標志物的檢測與報警作用。
[0011](2)本發(fā)明所涉及的融合電路抗干擾能力強，輸出穩(wěn)定，能夠很好的實現(xiàn)預(yù)期的邏輯判斷功能。
[0012](3)本發(fā)明所涉及的標志物單指標檢測模塊以及融合電路模塊均來自于相對研究比較深入的領(lǐng)域，對模型的仿真可以準確反映電路的性能。
【專利附圖】

【附圖說明】:
[0013]圖1是本發(fā)明所述基因電路結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)框圖
[0014]圖2是標志物單指標檢測模塊示意圖。
[0015]圖3是標志物單指標檢測模塊上支路示意圖。
[0016]圖4是標志物單指標檢測模塊下支路示意圖。
[0017]圖5是標志物啟動電路示意圖。
[0018]圖6是反相器示意圖。
[0019]圖7是融合電路模塊示意圖。
[0020]Pcea, Pcai53, Pnse, Px, Py, Pff, Pz, Pabc 和 Pg 代表各啟動子，CEA, CA153，NSE 為本發(fā)明選取的三種肺癌標志物，A, B, C，G, W，X，Y, Z和GFP表示各蛋白質(zhì)，其中GFP表示綠色熒光蛋白質(zhì)。其下標代表能夠與之結(jié)合，抑制或觸發(fā)該啟動子啟動轉(zhuǎn)錄的蛋白質(zhì)。圖中的虛線表示調(diào)控作用發(fā)生，其尾部的丄代表抑制作用，箭頭表示啟動作用。【具體實施方式】:
[0021]見圖1、圖2、圖3、圖4、圖5、圖6、圖7所不，本發(fā)明一種基于肺癌標志物檢測基因電路，具體實施如下:它由標志物單指標檢測模塊和融合電路模塊組成，兩個模塊之間彼此順序連接。所述檢測物單指標檢測模塊分別對三種肺癌標志物(CEA、CA153、NSE)進行檢測，當檢測到標志物濃度高于閾值水平時，該電路模塊可以輸出一個脈沖信號到下一級的融合電路。所述融合電路模塊由一個三端口輸入的反相器ABC-G和反相器G-GFP按順序連接而成，融合電路模塊的功能是在任意一個上述標志物單指標檢測模塊發(fā)出脈沖信號的時候，輸出綠色熒光蛋白質(zhì)GFP進行報警。
[0022]圖1是肺癌標志物檢測電路的整體示意圖，標志物單指標檢測模塊分別對肺癌標志物CEA, CA153和NSE進行濃度檢測，彼此之間不會產(chǎn)生相互干擾，當標志物當中的任何一種分子濃度超過閾值的時候，在標志物單指標檢測模塊的上，下支路作用下輸出一個單脈沖信號傳遞給融合電路模塊。融合電路模塊的輸入是上一級的信號，只要任意一個標志物單指標檢測電路模塊有信號輸入，融合電路模塊的輸出-綠色熒光蛋白質(zhì)GFP就會高表達，達到報警的作用。
[0023]圖2是標志物單指標檢測模塊示意圖，所述標志物單指標檢測模塊分別對三種肺癌標志物(CEA、CA153、NSE)進行檢測。輸入端是標志物啟動電路Input-XY，輸出端是反相器Z-Output,其中Input表示上述三種肺癌標志物(CEA、CA153、NSE), Output表示標志物單指標檢測模塊的輸出蛋白質(zhì)A，B和C。該模塊由上支路和下支路兩條支路構(gòu)成，該上支路包括并按順序連結(jié)有:標志物啟動電路Input-XY,反相器X-Z和反相器Z-Output。該標志物啟動電路Input-ΧΥ包括能被輸入Input啟動的啟動子Pin，以及由Pin啟動的同時編碼蛋白質(zhì)X和蛋白質(zhì)Y的基因。該反相器X-Z包括被蛋白質(zhì)X抑制啟動的啟動子Px以及由Px啟動的編碼蛋白質(zhì)Z的基因。該反相器Z-Output包括被蛋白質(zhì)Z抑制啟動的啟動子Pz以及由Pz啟動的編碼蛋白質(zhì)Output的基因。當檢測到標志物濃度高于閾值水平時，通過上支路輸出物濃度趨于高水平。該下支路包括并按順序連結(jié)有:標志物啟動電路Input-XY，反相器Y-W,反相器W-Z和反相器Z-Output。該標志物啟動電路Input-ΧΥ包括能被輸入Input啟動的啟動子Pin，以及由Pin啟動的同時編碼蛋白質(zhì)X和蛋白質(zhì)Y的基因。該反相器Y-W包括被蛋白質(zhì)Y抑制啟動的啟動子Py以及由Py啟動的編碼蛋白質(zhì)W的基因。該反相器W-Z包括被蛋白質(zhì)W抑制啟動的啟動子Pw以及由Pw啟動的編碼蛋白質(zhì)Z的基因。該反相器Z-Output包括被蛋白質(zhì)Z抑制啟動的啟動子Pz以及由Pz啟動的編碼蛋白質(zhì)Output的基因。當檢測到標志物濃度高于閾值水平時，然后通過下支路輸出物濃度趨于低水平。故該電路模塊可以在單個標志物濃度升高的時候輸出一個脈沖信號到下一級的融合電路。
[0024]圖3是標志物單指標檢測模塊的上支路示意圖，該上支路包括并按順序連結(jié)有:標志物啟動電路Input-XY,反相器X-Z和反相器Z-Output,其中Input表示上述三種肺癌標志物(CEA、CA153、NSE)，Output表示標志物單指標檢測模塊的輸出蛋白質(zhì)A，B和C。該標志物啟動電路Input-ΧΥ包括能被輸入Input啟動的啟動子Pin,以及由Pin啟動的同時編碼蛋白質(zhì)X和蛋白質(zhì)Y的基因。該反相器X-Z包括被蛋白質(zhì)X抑制啟動的啟動子Px以及由Px啟動的編碼蛋白質(zhì)Z的基因。該反相器Z-Output包括被蛋白質(zhì)Z抑制啟動的啟動子Pz以及由Pz啟動的編碼蛋白質(zhì)Output的基因。當標志物濃度低于閾值時，Pin關(guān)閉，轉(zhuǎn)錄禁止，蛋白質(zhì)X低水平表達。對Px的抑制減少，蛋白質(zhì)Z高水平表達，使Pz受到抑制，輸出蛋白質(zhì)Output表達受到抑制,低水平輸出。當標志物濃度高于閾值時，Pin開啟，蛋白質(zhì)X高水平表達，使Px受到抑制，蛋白質(zhì)Z低水平表達，對Pz的抑制減少，輸出蛋白質(zhì)Output表達受到的抑制減少，高水平輸出。
[0025]圖4是標志物單指標檢測模塊的下支路示意圖，該下支路包括并按順序連結(jié)有:標志物啟動電路Input-XY,反相器Y-W,反相器W-Z和反相器Z-Output,其中Input表示上述三種肺癌標志物(CEA、CA153、NSE)，Output表示標志物單指標檢測模塊的輸出蛋白質(zhì)A, B和C。該標志物啟動電路Input-ΧΥ包括能被輸入Input啟動的啟動子Pin，以及由Pin啟動的同時編碼蛋白質(zhì)X和蛋白質(zhì)Y的基因。該反相器Y-W包括被蛋白質(zhì)Y抑制啟動的啟動子Py以及由Py啟動的編碼蛋白質(zhì)W的基因。該反相器W-Z包括被蛋白質(zhì)W抑制啟動的啟動子Pw以及由Pw啟動的編碼蛋白質(zhì)Z的基因。該反相器Z-Output包括被蛋白質(zhì)Z抑制啟動的啟動子Pz以及由Pz啟動的編碼蛋白質(zhì)Output的基因。當標志物濃度低于閾值時，Pin關(guān)閉，轉(zhuǎn)錄禁止，蛋白質(zhì)Y低表達，對Py的抑制減少，蛋白質(zhì)W高水平表達，使Pw受到抑制，蛋白質(zhì)Z低水平表達，對Pz的抑制減少，輸出蛋白質(zhì)Output表達受到的抑制減少，高水平輸出。當標志物濃度高于閾值時，Pin開啟，蛋白質(zhì)Y高水平表達。使Py受到抑制，蛋白質(zhì)W低水平表達，進而對Pw的抑制減少，蛋白質(zhì)Z高水平表達，使Pz受到抑制，輸出蛋白質(zhì)Output表達受到抑制,低水平輸出。
[0026]圖5是標志物啟動電路的示意圖，該標志物啟動電路包括能被輸入Input啟動的啟動子Pin，以及由Pin啟動的同時編碼蛋白質(zhì)Outputl和蛋白質(zhì)0utput2的基因。其中輸入Input代表上述三種肺癌標志物(CEA、CA153、NSE),蛋白質(zhì)Outputl和蛋白質(zhì)0utput2分別表示上述蛋白質(zhì)X和蛋白質(zhì)Y。當Input濃度低于閾值的時候，啟動子Pin關(guān)閉，蛋白質(zhì)Outputl和蛋白質(zhì)0utput2低水平表達。當Input濃度高于閾值的時候,啟動子Pin開啟，蛋白質(zhì)Outputl和蛋白質(zhì)0utput2濃度高水平表達,并且由于基因的轉(zhuǎn)錄需按照基因排列的順序來進行，則當Pin啟動時，先轉(zhuǎn)錄翻譯蛋白質(zhì)Output I,再轉(zhuǎn)錄蛋白質(zhì)0utput2,所以當輸入濃度不變的條件下，蛋白質(zhì)0utput2的生成曲線要滯后于蛋白質(zhì)Outputl的生成曲線。
[0027]圖6是反相器的示意圖，該反相器包括被輸入蛋白質(zhì)Input抑制啟動的啟動子Pin以及由Pin啟動的編碼蛋白質(zhì)Output的基因。輸入蛋白質(zhì)Input濃度低于閾值的時候，對Pin的抑制減少，輸出蛋白質(zhì)Output高水平表達。當輸入蛋白質(zhì)Input濃度高于閾值的時候，使Pin受到抑制，輸出蛋白質(zhì)Output低水平輸出。
[0028]圖7是融合電路模塊的示意圖和它的電路邏輯功能示意圖，它的輸入來自于上一級標志物檢測電路的輸出蛋白質(zhì)A，B和C，它的輸出是綠色熒光蛋白質(zhì)GFP。其作用機理是:綠色熒光蛋白質(zhì)(圖中表示為GFP)的表達，受到了上一種蛋白質(zhì)G (NOT (OR(A，B，C)))的調(diào)控，當其與綠色熒光蛋白質(zhì)調(diào)控區(qū)域Pg結(jié)合后，可抑制綠色熒光蛋白質(zhì)GFP的表達。當?shù)鞍踪|(zhì)A，B和C中的任意一種濃度超過閾值的時候，都會使Pin受到抑制，蛋白質(zhì)G低水平表達，對Pe的抑制減少，綠色熒光蛋白GFP表達受到的抑制減少，高水平輸出。當?shù)鞍踪|(zhì)A，B和C的濃度都低于閾值的時候，對Pin的抑制減少，蛋白質(zhì)G高水平表達，使Pe受到抑制，綠色熒光蛋白GFP表達受到抑制，低水平輸出。
[0029]從以上肺癌標志物檢測基因電路的各模塊可以看出，它在相同條件下檢測效果更好，可操作性更強。標志物單指標檢測模塊能夠相互不產(chǎn)生干擾，并能夠獨立完成單指標檢測工作，融合電路模塊能夠?qū)酥疚飭沃笜藱z測模塊的輸出進行邏輯輸出，電路整體能夠在三種肺癌標志物中的任意一種肺癌標志物濃度超過閾值的時候，快速生成綠色熒光蛋白質(zhì)GFP進行報警。
【權(quán)利要求】
1.一種基于肺癌標志物檢測基因電路，其特征在于:它由標志物單指標檢測模塊和融合電路模塊組成，彼此之間順序連接； 所述標志物單指標檢測模塊,其輸入端是標志物啟動電路Input-χy,輸出端是反相器Z-Output，該模塊的輸入物質(zhì)Input是三種肺癌標志物CEA、CA153、NSE，輸出蛋白質(zhì)Output是蛋白質(zhì)A，B和C ;該模塊由上支路和下支路兩條支路構(gòu)成，該上支路包括并按順序連接有:標志物啟動電路Input-ΧΥ,反相器X-Z和反相器Z-Output ;該標志物啟動電路Input-XY包括能被輸入Input啟動的啟動子Pin，以及由Pin啟動的同時編碼蛋白質(zhì)X和蛋白質(zhì)Y的基因；該反相器X-Z包括被蛋白質(zhì)X抑制啟動的啟動子Px以及由Px啟動的編碼蛋白質(zhì)Z的基因；該反相器Z-Output包括被蛋白質(zhì)Z抑制啟動的啟動子Pz以及由Pz啟動的編碼蛋白質(zhì)Output的基因；該下支路包括并按順序連接有:標志物啟動電路Input-Υ,反相器Y-W，反相器W-Z和反相器Z-Output ;該標志物啟動電路Input-XY包括能被輸入Input啟動的啟動子Pin，以及由Pin啟動的同時編碼蛋白質(zhì)X和蛋白質(zhì)Y的基因；該反相器Y-W包括被蛋白質(zhì)Y抑制啟動的啟動子Py以及由Py啟動的編碼蛋白質(zhì)W的基因；該反相器W-Z包括被蛋白質(zhì)W抑制啟動的啟動子Pw以及由Pw啟動的編碼蛋白質(zhì)Z的基因；該反相器Z-Output包括被蛋白質(zhì)Z抑制啟動的啟動子Pz以及由Pz啟動的編碼蛋白質(zhì)Output的基因； 所述融合電路模塊由一個三端口輸入的反相器ABC-G和反相器G-GFP按順序連接而成，該反相器ABC-G包括被蛋白質(zhì)A，B和C抑制啟動的啟動子Pabc以及由Pabc啟動的編碼蛋白質(zhì)G的基因；該反相器G-GFP包括被蛋白質(zhì)G抑制啟動的啟動子Pe以及由Pe啟動的編碼綠色熒光 蛋白質(zhì)GFP的基因。
【文檔編號】G01N27/26GK104007151SQ201410186372
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年5月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月5日
【發(fā)明者】王翔, 曾梓臻, 陳瀚, 舒程珣 申請人:北京航空航天大學(xué)