一種腦卒中預警的基因電路模型的製作方法

2023-05-19 20:08:36

本發明涉及一種腦卒中預警的基因電路模型，屬於合成生物學領域。

背景技術：

目前，受社會老齡化加劇及飲食結構改變的影響，腦血管類疾病已經發展成為威脅人類健康的主要因素之一。腦卒中作為一種突發性的腦血管疾病，近年來逐步呈現出高發病率、高復發率、高致殘率和高病死率的特點，嚴重威脅到人類的健康水平，也給家庭和社會造成了沉重的負擔。因此，如何實現腦卒中的早期診斷，受到越來越多的研究人員的重視。從當前的檢測治療方法來看，對於腦卒中的診斷，主要依賴於CT、MRI等影像學檢測,這類檢查費用高昂，且對於醫療設備及操作水平都有很高的要求。因此，發現一種能夠有效篩選出腦卒中高危人群的方法，是迫切需要的。

隨著微電子學和分子生物學的不斷發展，基因工程技術取得了很大的成就，能夠及時地感知監測生物體內外部的環境信息，完成生物學數據的處理，細胞也隨之擁有了包括基因調控、信號處理和通訊在內的複雜而精細的功能。目前，人工基因電路已經在環境、製藥、能源、醫學等方面開始了一系列裡程碑式的嘗試，並且取得了顯著的成果。通過基因電路可以提前對腦血管疾病進行檢測。大自然中，在蛋白質與基因這一層面上，存在調控蛋白、操縱子這類物質。調控蛋白可以控制基因的轉錄翻譯過程，而基因轉錄翻譯的產物就是蛋白質，如果這種蛋白質還是一種調控蛋白，則它可以繼續調控其他基因，最終構成一個基因調控網絡。改變、添加其中的調控蛋白、結構基因以及調整其網絡結構，就可以設計出符合我們期望的基因電路。

基因電路應用於腦卒中治療，從根本上更新了現有的治療模式，通過精確地操縱細胞行為，為腦卒中檢測提供有力的手段。在基因電路的設計中，目前已經實現一些小型模塊，用來控制基因表達、蛋白質功能、新陳代謝以及細胞間信息傳遞等。在此基礎上，開發人員可以開展新的電路設計,通過轉錄控制，翻譯控制，翻譯後蛋白質修飾等實現合成監管網絡。根據生物體內DNA的轉錄、翻譯以及蛋白質水解等過程，目前已經構建了一些基本模塊，完成基本的邏輯電路功能。但現階段的基因電路還沒有在腦卒中檢測中得到應用，以便及時對高危人群進行篩選和觀察。同時在檢測預警過程中，基因電路容易受到噪聲幹擾，影響到系統的穩定性與精度。

技術實現要素：

1.目的：本發明的目的是提供一種腦卒中預警的基因電路模型，對多種腦卒中的生物學標誌物分子進行實時檢測和判斷，對高風險人群進行及時預警。該基因電路結構能夠在蛋白質大分子層面上對腦卒中進行早期檢測和預警，不僅能夠通過簡單有效的聯合檢測電路模塊實現對腦卒中的快速監測，並且引入反饋電路模塊降低環境等不確定因素帶來的幹擾，具有良好的實時性和穩定性。

2.技術方案：

本發明是一種腦卒中預警的基因電路模型，它由聯合檢測電路模塊和反饋電路模塊組成；它們相互之間的關係是：聯合檢測電路模塊的輸出是反饋電路模塊的輸入，反饋電路模塊的輸出又通過內部的反饋支路作用於聯合檢測電路模塊的輸出，亦即：反饋電路模塊是聯合檢測電路模塊的下一級電路。

所述聯合檢測電路模塊是一個多輸入與非門，結構簡單，可以快速直接的對輸入的腦卒中標誌物分子的濃度進行實時檢測及綜合判斷。該模塊有三個或三個以上的輸入端，每一個輸入對應一種腦卒中標誌物。在本次設計中我們選定該聯合檢測電路模塊有三個輸入端，一個輸出端。針對這類多個輸入端的聯合檢測基因電路，當輸入的標誌物分子的融合濃度超過閾值時，表示被檢測者是腦卒中的高危患者，需要進行預警。

所述反饋電路模塊是一個由反相器和反饋支路組成的負反饋結構，是直接在已有的反相器結構的基礎上引入的一個反饋支路。反饋電路模塊的輸入，也即反相器的輸入是聯合檢測電路模塊的輸出，該模塊的輸出為螢光蛋白。所設計的反饋支路將反相器的輸出作用到聯合檢測電路模塊的輸出，實現負反饋功能，進而達到整體穩定檢測預警，降噪輸出的目的。該反饋支路有一個輸入和一個輸出，反饋支路在螢光蛋白濃度表達為低時，會表達出反饋蛋白，反饋蛋白會與聯合檢測電路模塊的輸出蛋白相綁定，綁定後的複合蛋白將失去作用於該模塊反相器輸入端的能力，從而降低該模塊中反相器的輸入值。

3.優點與功效：

(1)本發明所述的基因電路結構，可擴展性強，能夠同時對多個腦卒中標誌物分子進行分析判斷，避免了單一標誌物分子檢測帶來的誤差，使系統對腦卒中的預警更準確可靠。

(2)本發明所設計的聯合檢測電路模塊，是根據合成生物學和基因工程的設計方法，直接利用與非門邏輯同時實現檢測和判斷的功能，響應時間短，能夠實現對輸入的快速檢測及綜合判斷，使聯合檢測更實時高效。

(3)本發明所設計的反饋電路模塊，通過引入負反饋結構控制系統螢光蛋白的輸出，能夠有效的降低環境噪聲等因素對腦卒中檢測的幹擾，提高系統的穩定性。

附圖說明

圖1是本發明腦卒中預警的基因電路的整體結構示意圖。

圖2是聯合檢測電路模塊的基因水平的說明示意圖。

圖3是本發明腦卒中預警的基因水平反應過程的示意圖。

圖中符號說明如下：

Biomarker1,Biomarker2,Biomarker3代表三種腦卒中標誌物，Promoter代表啟動子，是基因電路的輸入端，DNA是基因DNA片段，mRNAa、mRNAg、mRNAx代表基因轉錄出的RNA，Protein of First Stage表示聯合檢測電路模塊的輸出蛋白,Negative Feedback Protein表示反饋支路的反饋蛋白,Bind Protein是捆綁後的複合蛋白，Fluorescent Protein表示腦卒中預基因電路的螢光蛋白。

具體實施方式

如圖1，圖2，圖3所示，具體實施方式如下：

本發明一種腦卒中預警的基因電路模型，如圖1，圖2，圖3所示，它由兩部分構成：一是聯合檢測電路模塊，二是反饋電路模塊。它們相互之間的關係是：聯合檢測電路模塊的輸出是反饋電路模塊的輸入，反饋電路模塊的輸出又通過內部的反饋支路作用於聯合檢測電路模塊的輸出，亦即：反饋電路模塊是聯合檢測電路模塊的下一級電路。所述聯合檢測電路模塊對整個系統輸入的腦卒中標誌物分子進行綜合判斷，反饋電路模塊將基因電路輸出反饋到聯合檢測電路模塊的輸出端，以減少系統波動。

圖1描述了該腦卒中預警的基因電路模型的整體結構，由聯合檢測電路模塊的反饋電路模塊兩部分組成。其中，聯合檢測電路模塊本質上是一個多輸入與非門，而反饋電路模塊由一個反相器以及一個反饋支路組成。聯合檢測電路模塊對腦卒中標誌物進行聯合檢測。聯合檢測電路模塊由多個輸入端，每一個輸入對應一種腦卒中標誌物，在本次設計中我們選定該聯合檢測電路模塊有三個或四個輸入端，一個輸出端。當輸入的標誌物分子的融合濃度超過閾值時，將抑制該模塊的輸出蛋白產生，否則，該模塊將持續表達為較高濃度的輸出蛋白。反饋電路模塊的輸入為上一級聯合檢測電路模塊的輸出，輸出為螢光蛋白表示預警。當上一級聯合檢測模塊的輸出蛋白濃度較高也就是反饋模塊有高輸入時，螢光蛋白的表達受到抑制，而當聯合檢測模塊的輸出蛋白濃度降低時，大量螢光蛋白輸出，進行預警。而反饋支路通過負反饋作用限制了螢光蛋白的波動，表達為降噪作用。整體分析來看，當標誌物的融合濃度超過閾值時，螢光蛋白大量表達釋放，螢光蛋白又會作用於反饋電路反饋迴路進而適當抑制其本身濃度，減少偶然性輸入突變對於最終預警結果的影響，降低噪聲幹擾，維持系統穩定準確的實現預警功能。

圖2是聯合檢測電路模塊的基因水平的說明示意圖，在聯合檢測電路模塊中，DNA的啟動子部分可以與多種腦卒中標誌物分子結合，啟動子的行為受腦卒中標誌物分子的濃度影響。當輸入的標誌物分子的融合濃度超過閾值時，多數啟動子與腦卒中標誌物結合，不能正常工作，導致相應的基因不能正常表達，最終蛋白質翻譯將被抑制，聯合檢測電路的輸出蛋白濃度大幅下降。

圖3是該腦卒中預警的基因電路模型的基因水平反應過程的示意圖，多種超過正常濃度的腦卒中標誌物分子與聯合檢測電路中DNA的啟動子相結合時，DNA轉錄的過程受抑制，相應的輸出蛋白的翻譯受到抑制，濃度下降；聯合檢測電路模塊的輸出蛋白會與螢光蛋白基因的啟動子相結合，進而抑制螢光蛋白基因的表達，故當聯合檢測電路的輸出蛋白濃度下降時，螢光蛋白大量表達，產生預警作用；同時螢光蛋白會作用在反饋基因的啟動子上，抑制其表達出負反饋蛋白，負反饋蛋白會與聯合檢測電路的輸出蛋白結合捆綁，生成的複合蛋白質將不再會與螢光蛋白基因的啟動子結合，也就是負反饋蛋白會使部分聯合檢測電路的輸出蛋白失效；故當突然大量螢光蛋白表達，濃度突升時，負反饋蛋白濃度會下降，聯合檢測電路模塊的輸出蛋白濃度升高，對螢光蛋白基因表達的抑制程度有一定的增加，實現負反饋功能，調節系統的相對穩定性，並降低環境噪聲對於系統的影響，實現高效準確的腦卒中預警功能。