基因開關(guān)在不同細胞生長速率條件下的雙穩(wěn)態(tài)性
細胞命運受基因表達、信號傳導(dǎo)、生長環(huán)境等多種因素影響。由于缺乏對其全局、量化和理論層面的深入理解，了解和預(yù)測細胞命運走向成為生物科學(xué)領(lǐng)域的一個挑戰(zhàn)。而近年發(fā)展起來的定量生物學(xué)及合成生物學(xué)，為應(yīng)對上述挑戰(zhàn)提供了新思路。
早在2000年，合成生物學(xué)先驅(qū)James Collins就構(gòu)建了“基因撥動開關(guān)”基因線路。這種基因線路仿照了生物發(fā)育過程中廣泛存在的基因網(wǎng)絡(luò)調(diào)控邏輯，并用人工合成的方式進行了重構(gòu)。該基因線路通過不同誘導(dǎo)劑的刺激，可以控制細胞狀態(tài)的切換，在撤走誘導(dǎo)劑后細胞能維持當(dāng)前狀態(tài)不變，就像雙向撥動開關(guān)一樣。
在細胞的生長和分化過程中，細胞的分化導(dǎo)致其形態(tài)變化、功能特化，這一過程往往伴隨細胞生長速率的變化，因此很難將細胞生長速率作為單獨的變量，評估它對細胞命運決定過程的影響。而人工合成的“撥動開關(guān)”基因線路的狀態(tài)切換并不影響細胞生長速率，使得該基因線路恰好成為研究相關(guān)問題的“利器”。
受細菌生理學(xué)研究工作的啟發(fā)，研究團隊觀察了基因開關(guān)在不同細胞生長速率條件下的雙穩(wěn)態(tài)性。實驗結(jié)果表明，“基因開關(guān)”的雙穩(wěn)態(tài)性與細胞生長速率存在關(guān)聯(lián)。當(dāng)細胞生長速率大于一定閾值時，“撥動開關(guān)”呈現(xiàn)雙穩(wěn)態(tài)性；當(dāng)細胞生長速率小于一定閾值時，“撥動開關(guān)”的雙穩(wěn)態(tài)性出現(xiàn)了分岔。這表明在細胞命運決定的過程中，生長速率的變化可能引起基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定狀態(tài)變化，從而左右細胞命運走向。
為了深入探究細胞生理狀態(tài)變化如何主導(dǎo)細胞命運決定過程，科研團隊定量表征了不同生長狀態(tài)下“撥動開關(guān)”中兩個阻遏蛋白的表達水平，發(fā)現(xiàn)盡管兩者的表達水平總體呈現(xiàn)與細胞生長速率負相關(guān)的趨勢，但表達速率的最大峰值以及相對變化值不同。利用數(shù)理模型，科研團隊評估了這種不一致的生長速率依賴的基因表達模式對“撥動開關(guān)”穩(wěn)定狀態(tài)的影響，并證明了基因表達的生長速率依賴性給“撥動開關(guān)”的雙穩(wěn)態(tài)性帶來了分岔可能。
“細胞分裂后可以呈現(xiàn)不同的表型。該研究第一次將生長速率與細胞命運連接，為未來設(shè)計由生長速率直接或間接控制細胞表型的研究提供了定量理論依據(jù)和實施方案。”香港浸會大學(xué)教授湯雷翰說。
細胞的生命活動過程是一個非平衡系統(tǒng)。那么，細胞命運的決策是如何在變動的環(huán)境下發(fā)生的？
科研團隊通過擾動細胞生長速率來探究這一問題。通過動態(tài)改變培養(yǎng)基成分，研究人員實現(xiàn)了細胞生長速率切換，并實時追蹤細胞群體狀態(tài)。團隊利用勢能景觀圖定量研究了不同生長速率下基因表達的噪聲對細胞命運決定的影響。
研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)細胞生長速率較慢或者較快時，勢能景觀中兩個穩(wěn)定態(tài)之間的能壘較低，這意味著細胞更容易因噪聲而發(fā)生狀態(tài)切換。
通過細胞生長擾動實驗，研究人員觀察到了兩種不同的細胞命運決定方式：一是確定性機制，基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)態(tài)性質(zhì)變化會引起整個細胞群體發(fā)生狀態(tài)切換；二是通過噪聲驅(qū)動，細胞群體在臨界點附近發(fā)生狀態(tài)跳轉(zhuǎn)，以控制部分群體發(fā)生狀態(tài)切換。
該研究充分運用了定量合成生物學(xué)手段，通過數(shù)理模型分析和實驗驗證闡明了雙穩(wěn)態(tài)基因線路中狀態(tài)選擇與生長速率間的關(guān)系，為細胞命運決定機制研究提供了新見解。同時，該研究指出了一種細胞生理狀態(tài)對合成基因線路影響的可能機制，可用于指導(dǎo)設(shè)計更加抗干擾、可預(yù)測的基因線路。
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