基因開關(guān)在不同細(xì)胞生長速率條件下的雙穩(wěn)態(tài)性
細(xì)胞命運受基因表達(dá)、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(xì)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(jìn)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(xì)胞狀態(tài)的切換，在撤走誘導(dǎo)劑后細(xì)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(xì)胞的生長和分化過程中，細(xì)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(xì)胞生長速率的變化，因此很難將細(xì)胞生長速率作為單獨的變量，評估它對細(xì)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(xì)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(xì)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(xì)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(xì)胞生長速率存在關(guān)聯(lián)。當(dāng)細(xì)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(xì)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(xì)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(xì)胞命運走向。
為了深入探究細(xì)胞生理狀態(tài)變化如何主導(dǎo)細(xì)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(dá)水平，發(fā)現(xiàn)盡管兩者的表達(dá)水平總體呈現(xiàn)與細(xì)胞生長速率負(fù)相關(guān)的趨勢，但表達(dá)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(dá)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(dá)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(xì)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(xì)胞命運連接，為未來設(shè)計由生長速率直接或間接控制細(xì)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(xì)胞的生命活動過程是一個非平衡系統(tǒng)。那么，細(xì)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(xì)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(xì)胞生長速率切換，并實時追蹤細(xì)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(dá)的噪聲對細(xì)胞命運決定的影響。
研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)細(xì)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(xì)胞更容易因噪聲而發(fā)生狀態(tài)切換。
通過細(xì)胞生長擾動實驗，研究人員觀察到了兩種不同的細(xì)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(xì)胞群體發(fā)生狀態(tài)切換；二是通過噪聲驅(qū)動，細(xì)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(xì)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(xì)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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