遺伝子制御回路

遺伝子制御回路（転写制御回路とも呼ばれる）は、フランソワ・ジャコブとジャック・モノによって発見されたオペロンモデルから発展した概念である。^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]}これらは、誘導性転写因子とシス調節エレメントを介して互いの発現に影響を与える遺伝子の機能的なクラスターである。^{[ 4 ] [ 5 ]} 

遺伝子制御回路は、信号入力と出力を使用して遺伝子制御を決定するという点で、多くの点で電子回路に類似しています。^{[ 4 ] [ 5 ]}電子回路と同様に、その構成が効率を決定し、直列に動作する回路では遺伝子制御の感度が高いことが実証されています。^{[ 4 ] [ 6 ]}また、遺伝子のトランスおよびシス配列調節因子などの入力と、遺伝子発現レベルなどの出力を使用します。^{[ 4 ] [ 5 ]}回路の種類に応じて、糖やホルモンレベルなどの外部信号に常に反応し、回路が固定点または周期的な平衡状態に戻る方法を決定します。^{[ 7 ]}遺伝子制御回路は、元の転写出力レベルを失うことなく進化的に再配線される能力も持っています。^{[ 8 ] [ 9 ]}この再配線は、調節因子と標的遺伝子の保存が維持されている一方で、調節遺伝子と標的遺伝子の相互作用の変化によって定義されます。^{[ 8 ] [ 10 ]}

これらの回路は、遺伝子システムのダイナミクスを予測するために、コンピュータ上でモデル化することができます。 ^{[ 8 ] [ 11 ]}関心のある自然回路の計算モデルを構築した後、そのモデルを使用して回路のパフォーマンスについて検証可能な予測を行うことができます。 ^{[ 12 ] [ 13 ]}特定のエンジニアリングタスクのために合成回路を設計する場合、モデルは、望ましい機能出力を生み出すために必要な接続とパラメータの動作領域を特定するのに役立ちます。同様に、自然回路を研究する場合、モデルを使用して、望ましい生物学的結果に必要な部分またはパラメータ値を特定できます。^{[ 12 ] [ 14 ]}言い換えれば、計算モデリングと実験的な合成摂動を使用して、生物学的回路を調べることができます。^{[ 12 ] [ 14 ]}しかし、回路の構造は、制御回路がより大きな細胞制御ネットワークに提供する機能の信頼できる指標ではないことが示されています。^{[ 7 ]}

遺伝子制御回路の理解は、異質な遺伝子要素を組み合わせて新しい生物学的機能を生み出す合成生物学の分野において重要である。^{[ 1 ] [ 12 ]}これらの生物学的遺伝子回路は、制御機能を研究するための物理的モデルとして合成的に使用できる。^{[ 15 ] [ 16 ]}

遺伝子制御回路を設計することで、細胞は栄養素の利用可能性や発生シグナルなどの環境からの情報を受け取り、周囲の変化に応じて反応するように改変できます^{[ 17 ] [ 18 ]}  。^{[ 19 ] [ 20 ]}植物合成生物学では、遺伝子制御回路を使用して、環境ストレスに対する耐性を高めることで作物の効率を高める形質をプログラムすることができます。^{[ 18 ] [ 21 ]}さらに、医療介入のためのバイオ医薬品の製造にも使用されています。^{[ 18 ] [ 21 ]}