The hairpin element (HpE) near the start codon in the 5′ untranslated region (UTR) was developed to tune the mRNA translation in mammalian cells. The parameters of HpEs including thermodynamic stability, the content of guanine and cytosine, and distance between HpEs and the 5′ cap were investigated. These parameters influenced the mRNA expression level. In addition, the start codon and the upstream open reading frame sequestered within the structures of HpEs also reduced the translation initiation. In summary, this study shows that the simple engineering HpE structure can be efficiently adopted for gene expression regulation. The predictable controllability of this simple cloning strategy can potentially achieve precise gene expression regulation in different mammalian cell types.

[1]
S.
Grabow
,
A. J.
Kueh
,
F.
Ke
,
H. K.
Vanyai
,
B. N.
Sheikh
,
M. A.
Dengler
,
W.
Chiang
,
S.
Eccles
,
I. M.
Smyth
,
L. K.
Jones
,
F. J.
de Sauvage
,
M.
Scott
,
L.
Whitehead
,
A. K.
Voss
, and
A.
Strasser
,
Cell Rep.
24
,
3285
(
2018
).
[2]
F.
Wei
,
S.
Zhong
,
Z.
Ma
,
H.
Kong
,
A.
Medvec
,
R.
Ahmed
,
J. F.
Gordon
,
M.
Krogsgaard
, and
L. R.
James
,
Proc. Natl. Acad. Sci. USA
110
,
E2480
(
2013
).
[3]
H.
Bao
,
Y.
Ding
,
F.
Yang
,
J.
Zhang
,
J.
Xie
,
C.
Zhao
,
K.
Du
,
Y.
Zeng
,
K.
Zhao
,
Z.
Li
, and
Z.
Yang
,
BMC Genom.
23
,
346
(
2022
).
[4]
Z. T.
Ding
,
Z.
Zhang
,
D.
Luo
,
J. Y.
Zhou
,
J.
Zhong
,
J.
Yang
,
L.
Xiao
,
D.
Shu
, and
H.
Tan
,
Int. J. Mol. Sci.
16
,
10301
(
2015
).
[5]
M. B.
Kopniczky
,
S. J.
Moore
, and
P. S.
Freemont
,
IEEE Trans. Biomed. Circuits Syst.
9
,
485
(
2015
).
[6]
S.
Ausländer
,
D.
Auslander
, and
M.
Fussenegger
,
Angew Chem. Int. Ed.
56
,
6396
(
2017
).
[7]
M. P.
McNerney
,
D. M.
Watstein
, and
M. P.
Styczynski
,
Metab. Eng.
31
,
123
(
2015
).
[8]
T.
Li
,
B.
Liu
,
M. H.
Spalding
,
D. P.
Weeks
, and
B.
Yang
,
Nat. Biotechnol.
30
,
390
(
2012
).
[10]
Z.
Lu
,
S.
Yang
,
X.
Yuan
,
Y.
Shi
,
L.
Ouyang
,
S.
Jiang
,
L.
Yi
, and
G.
Zhang
,
Nucleic Acids Res.
47
,
e40
(
2019
).
[11]
J. P.
Ferreira
,
R. W.
Peacock
,
I. E.
Lawhorn
, and
C. L.
Wang
,
Synth. Syst. Biotechnol.
5
,
131
(
2011
).
[12]
J.
Blazeck
and
H. S.
Alper
,
J. Biotechnol.
8,
46
(
2013
).
[13]
A. J.
Brown
,
B.
Sweeney
,
D. O.
Mainwaring
, and
D. C.
James
,
Biotechnol. Bioeng.
111
,
1638
(
2014
).
[14]
M.
He
,
X.
Zhou
,
Z.
Li
,
X.
Yin
,
W.
Han
,
J.
Zhou
,
X.
Sun
,
X.
Liu
,
D.
Yao
, and
H.
Liang
,
J. Am. Chem. Soc.
144
,
12690
(
2022
).
[15]
H.
Nakanishi
,
H.
Saito
, and
K.
Itaka
,
ACS Synthetic Biology.
11
,
1077
(
2022
).
[16]
L. A.
Gilbert
,
M. H.
Larson
,
L.
Morsut
,
Z.
Liu
,
G. A.
Brar
,
S. E.
Torres
,
N.
Stern-Ginossar
,
O.
Brandman
,
E. H.
Whitehead
,
J. A.
Doudna
,
W. A.
Lim
,
J. S.
Weissman
, and
L. S.
Qi
,
Cell
154
,
442
(
2013
).
[17]
S.
Konermann
,
M. D.
Brigham
,
A. E.
Trevino
,
J.
Joung
,
O. O.
Abudayyeh
,
C.
Barcena
,
P. D.
Hsu
,
N.
Habib
,
J. S.
Gootenberg
,
H.
Nishimasu
,
O.
Nureki
, and
F.
Zhang
,
Nature
517
,
583
(
2015
).
[18]
J. G.
Zalatan
,
M. E.
Lee
,
R.
Almeida
,
L. A.
Gilbert
,
E. H.
Whitehead
,
M. La
Russa
,
J. C.
Tsai
,
J. S.
Weissman
,
J. E.
Dueber
,
L. S.
Qi
, and
W. A.
Lim
,
Cell
160
,
339
(
2015
).
[19]
Y. S.
Michaels
,
M. B.
Barnkob
,
H.
Barbosa
,
T. A.
Baeumler
,
M. K.
Thompson
,
V.
Andre
,
H.
ColinYork
,
M.
Fritzsche
,
U.
Gileadi
,
H. M.
Sheppard
,
D. J. H. F.
Knapp
,
T. A.
Milne
,
V.
Cerundolo
, and
T. A.
Fulga
,
Nat. Commun.
10
,
818
(
2019
).
[20]
S.
Matsuura
,
H.
Ono
,
S.
Kawasaki
,
Y.
Kuang
,
Y.
Fujita
, and
H.
Saito
,
Nat. Commun.
9
,
4847
(
2018
).
[21]
Y.
Yokobayashi
,
Curr. Opin. Chem. Biol.
52,
72
(
2019
).
[22]
S. D.
Petersen
,
J.
Zhang
,
J. S.
Lee
,
T.
Jakociunas
,
L. M.
Grav
,
H. F.
Kildegaard
,
J. D.
Keasling
, and
M. K.
Jensen
,
Nucleic Acids Res.
46
,
e127
(
2018
).
[23]
J. P.
Ferreira
,
K. W.
Overton
, and
C. L.
Wang
,
Proc. Natl. Acad. Sci. USA
110
,
11284
(
2013
).
[24]
L.
Jia
,
Y.
Mao
,
Q.
Ji
,
D.
Dersh
,
J. W.
Yewdell
, and
S. B.
Qian
,
Nat. Struct. Mol. Biol.
27
,
814
(
2020
).
[25]
K.
Leppek
,
R.
Das
, and
M.
Barna
,
Nat. Rev. Mol. Cell Biol.
19
,
158
(
2018
).
[26]
K.
Endo
,
J. A.
Stapleton
,
K.
Hayashi
,
H.
Saito
, and
T.
Inoue
,
Nucleic Acids Res.
41
,
e135
(
2013
).
[27]
M.
Kozak
,
Proc. Natl. Acad. Sci. USA
83
,
2850
(
1986
).
[28]
P.
Eisenhut
,
A.
Mebrahtu
,
M. Moradi
Barzadd
,
N.
Thalén
,
G.
Klanert
,
M.
Weinguny
,
A.
Sandegren
,
C.
Su
,
D.
Hatton
,
N.
Borth
, and
J.
Rockberg
,
Nucleic Acids Res.
48
,
e119
(
2020
).
[29]
J. R.
Babendure
,
J. L.
Babendure
,
J. H.
Ding
, and
R. Y.
Tsien
,
RNA
12
,
851
(
2006
).
[30]
E.
Lamping
,
M.
Niimi
, and
R. D.
Cannon
,
Microb. Cell Fact.
12
,
74
(
2013
).
[31]
T.
Weenink
,
J.
van der Hilst
,
R. M.
McKiernan
, and
T.
Ellis
,
Synth. Biol.
3
,
ysy019
(
2018
).
[32]
R. J.
Jackson
,
C. U. T.
Hellen
, and
T. V.
Pestova
,
Nat. Rev. Mol. Cell Biol.
11
,
113
(
2010
).
[33]
G. Hinnebusch
Alan
,
Microbial. Mol. Biol. Rev.
75,
434
(
2011
).
[34]
T.
Zhang
,
A.
Wu
,
Y.
Yue
, and
Y.
Zhao
,
Int. J. Mol. Sci.
21
,
6238
(
2020
).
[35]
E. Calvo
Sarah
,
J. Pagliarini
David
, and
K. Mootha
Vamsi
,
Proc. Natl. Acad. Sci. USA
106
,
7507
(
2009
).
This content is only available via PDF.

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.