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影響細(xì)胞命運(yùn)決定過(guò)程的兩種方式--確定性機(jī)制、網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)態(tài)性質(zhì)變化

瀏覽次數(shù)：589　發(fā)布日期：2023-6-2　來(lái)源：本站　僅供參考，謝絕轉(zhuǎn)載，否則責(zé)任自負(fù)

細(xì)胞的命運(yùn)決定過(guò)程可以通過(guò)兩種方式?jīng)Q定

細(xì)胞分化使基因型相同的細(xì)胞產(chǎn)生在形態(tài)、結(jié)構(gòu)和生理功能上差異的細(xì)胞。關(guān)于細(xì)胞分化過(guò)程的發(fā)生，經(jīng)典表述認(rèn)為細(xì)胞的基因功能以及它們形成的復(fù)雜調(diào)控網(wǎng)絡(luò)在時(shí)空上控制了基因的表達(dá)量，從而編程了細(xì)胞命運(yùn)決定（fate determination）的過(guò)程。盡管我們可以解析大部分基因的功能、測(cè)量基因表達(dá)的時(shí)空動(dòng)力學(xué)、繪制出基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的草圖，但在細(xì)胞命運(yùn)決定過(guò)程中仍然無(wú)法理解基因差異表達(dá)的源頭、無(wú)法精確預(yù)測(cè)命運(yùn)決定過(guò)程的走向。

中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所傅雄飛團(tuán)隊(duì)研究運(yùn)用造物致知的研究范式，通過(guò)定量實(shí)驗(yàn)和數(shù)理模型，探索細(xì)胞生長(zhǎng)速率對(duì)經(jīng)典人工合成基因線路-互抑制回路-的雙穩(wěn)態(tài)性的影響，發(fā)現(xiàn)了不同基因的表達(dá)量對(duì)生長(zhǎng)速率呈現(xiàn)不平衡、不同步的響應(yīng)，進(jìn)而重塑細(xì)胞命運(yùn)決定景（Landscape）。

該研究表明生長(zhǎng)速率可以在全局上調(diào)控基因表達(dá)網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)基因的表達(dá)水平從而改變細(xì)胞命運(yùn)，并不一定依賴特定調(diào)控因子。該研究為命運(yùn)決定調(diào)控機(jī)制研究提供了新視角，并為通過(guò)合成生物方法定量控制細(xì)胞命運(yùn)用于醫(yī)學(xué)和工業(yè)用途提供了新思路。

科學(xué)家運(yùn)用生物化學(xué)和分子生物學(xué)手段，研究基因的功能和調(diào)控關(guān)系以及信號(hào)的傳導(dǎo)機(jī)制，繪制出細(xì)胞命運(yùn)決定網(wǎng)絡(luò)的草圖；合成重構(gòu)了功能基因網(wǎng)絡(luò)如雙穩(wěn)態(tài)開(kāi)關(guān)、生物振蕩、斑圖形成，這使得人類在造物之路上邁出了跨越式的腳步。然而，拋開(kāi)該網(wǎng)絡(luò)中基因的細(xì)節(jié)，仍無(wú)法理解在細(xì)胞命運(yùn)決定網(wǎng)絡(luò)中信息如何傳遞，也無(wú)法預(yù)測(cè)該網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的狀態(tài)，進(jìn)而推斷出細(xì)胞命運(yùn)的走向。如果我們跳出網(wǎng)絡(luò)的細(xì)節(jié)，從全局的范圍來(lái)看整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，是否存在特別的因素能夠重塑細(xì)胞命運(yùn)決定景觀（Landscape），甚至涌現(xiàn)出新的功能？　

為了探究細(xì)胞的生長(zhǎng)速率對(duì)基因網(wǎng)絡(luò)是否存在影響，科研團(tuán)隊(duì)利用經(jīng)典合成基因線路——撥動(dòng)開(kāi)關(guān)線路（the toggle switch1）來(lái)研究這種可能性。撥動(dòng)開(kāi)關(guān)線路由兩個(gè)相互阻遏的基因所構(gòu)成，使得該線路在穩(wěn)態(tài)（stable states）下只能存在一種基因處于高表達(dá)狀態(tài)。

這樣的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)廣泛存在于自然界，例如，λ噬菌體溶菌-溶原決定、線蟲(chóng)左右味覺(jué)神經(jīng)分化。此外，構(gòu)成這一線路的元件已被廣泛定量表征，與宿主自生基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)相正交，因此可以排除宿主自身狀態(tài)對(duì)基因線路的直接調(diào)控，且利于定量分析網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)態(tài)行為。

科研團(tuán)隊(duì)偶然發(fā)現(xiàn)，在SOB培養(yǎng)基中，細(xì)胞的初始狀態(tài)無(wú)論是紅色狀態(tài)還是綠色狀態(tài)，細(xì)胞在經(jīng)歷一步生長(zhǎng)的過(guò)程，平臺(tái)期的細(xì)胞均會(huì)處于紅色狀態(tài)。因此研究推測(cè)，可能存在某種全局性的生理變化，影響了細(xì)胞命運(yùn)決定決策。

受到細(xì)菌生理學(xué)研究工作的啟發(fā)，科研團(tuán)隊(duì)在不同的細(xì)胞生理穩(wěn)定狀態(tài)（physiology steady state）下觀察撥動(dòng)開(kāi)關(guān)線路的穩(wěn)態(tài)特征以及雙穩(wěn)態(tài)性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基因線路的雙穩(wěn)態(tài)性與細(xì)胞的生長(zhǎng)速率存在關(guān)聯(lián)關(guān)系。當(dāng)細(xì)胞生長(zhǎng)速率大于0.5 h-1 時(shí)，撥動(dòng)開(kāi)關(guān)存在雙穩(wěn)態(tài)性，當(dāng)細(xì)胞生長(zhǎng)速率低于這一臨界生長(zhǎng)速率時(shí)，撥動(dòng)開(kāi)關(guān)的雙穩(wěn)態(tài)性出現(xiàn)了分岔（bifurcation），也就說(shuō)，細(xì)胞在慢速生長(zhǎng)狀態(tài)下，只能維持紅色穩(wěn)態(tài)，線路的雙穩(wěn)態(tài)性消失了。進(jìn)一步，研究認(rèn)為似乎存在這樣的可能性：生長(zhǎng)速率的變化可以引起命運(yùn)決定網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)態(tài)特性，并左右細(xì)胞的命運(yùn)走向。

為了進(jìn)一步揭示細(xì)胞生理狀態(tài)變化是如何主導(dǎo)細(xì)胞的命運(yùn)決定過(guò)程，科研團(tuán)隊(duì)定量表征了不同生長(zhǎng)狀態(tài)下?lián)軇?dòng)開(kāi)關(guān)中兩個(gè)阻遏蛋白的表達(dá)水平。研究發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)基因的表達(dá)水平會(huì)隨著細(xì)胞生長(zhǎng)速率放緩呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)，同時(shí)，上升的速率大于細(xì)胞生長(zhǎng)放緩帶來(lái)的稀釋速率降低的影響；研究推斷兩個(gè)基因的翻譯速率也隨細(xì)胞生長(zhǎng)速率發(fā)生了變化。

研究利用熒光蛋白定量表征、轉(zhuǎn)錄組學(xué)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，兩者的表達(dá)水平盡管在總體趨勢(shì)上均呈現(xiàn)出與細(xì)胞生長(zhǎng)速率負(fù)相關(guān)的關(guān)系，但表達(dá)速率的最大峰值以及相對(duì)變化值不同。利用數(shù)理模型，研究評(píng)估了這種非平衡的生長(zhǎng)速率依賴的基因表達(dá)模式對(duì)基因線路穩(wěn)定性的影響，并證明了這種生長(zhǎng)速率的依賴性給撥動(dòng)開(kāi)關(guān)的雙穩(wěn)態(tài)性帶來(lái)了分岔的可能�！　�

研究通過(guò)進(jìn)一步分析數(shù)理模型發(fā)現(xiàn)，撥動(dòng)開(kāi)關(guān)發(fā)生分岔的臨界生長(zhǎng)速率也可以被阻遏蛋白的阻遏閾值（解離常數(shù)）所調(diào)控。研究顯示，通過(guò)改變LacI結(jié)合位點(diǎn)序列，可以改變LacI蛋白對(duì)TetR蛋白表達(dá)的阻遏閾值；由此得到了阻遏強(qiáng)度與原始序列（LO1）更強(qiáng)的兩個(gè)突變體——LO2和LO3，同時(shí)通過(guò)定量實(shí)驗(yàn)測(cè)定了三者的阻遏閾值以及不同生理?xiàng)l件下的穩(wěn)態(tài)狀態(tài)與數(shù)量。

研究發(fā)現(xiàn)，相較于LO1、LO2表現(xiàn)出在實(shí)驗(yàn)可測(cè)的生長(zhǎng)速率范圍內(nèi)均具有雙穩(wěn)態(tài)性，而LO3則表現(xiàn)為在生長(zhǎng)速率大于臨界生長(zhǎng)速率時(shí)呈現(xiàn)出綠色狀態(tài)的單穩(wěn)態(tài)，且速率低于臨界生長(zhǎng)速率時(shí)則呈現(xiàn)雙穩(wěn)態(tài)性。這一結(jié)果與數(shù)理模型的預(yù)測(cè)一致。

在穩(wěn)態(tài)條件下，生長(zhǎng)速率可以重塑細(xì)胞的命運(yùn)決定景觀。另一個(gè)重要的問(wèn)題是：細(xì)胞的生命活動(dòng)過(guò)程是一個(gè)非平衡的系統(tǒng)，那么，細(xì)胞命運(yùn)的決策是如何在變動(dòng)的環(huán)境下發(fā)生的？

科研團(tuán)隊(duì)通過(guò)擾動(dòng)細(xì)胞生長(zhǎng)速率來(lái)探討這一問(wèn)題，通過(guò)動(dòng)態(tài)改變培養(yǎng)基的成分，來(lái)實(shí)現(xiàn)細(xì)胞生長(zhǎng)速率切換，并實(shí)時(shí)追蹤細(xì)胞的狀態(tài)。研究將細(xì)胞在快速生長(zhǎng)條件下培養(yǎng)至生理穩(wěn)定狀態(tài)，再切換到營(yíng)養(yǎng)貧瘠的培養(yǎng)基（生長(zhǎng)降檔），等細(xì)胞恢復(fù)到生理穩(wěn)定狀態(tài)再切換回到營(yíng)養(yǎng)豐富的培養(yǎng)基（生長(zhǎng)升檔）。

研究發(fā)現(xiàn)，初始狀態(tài)為綠色狀態(tài)的LO1菌株在生長(zhǎng)降檔過(guò)程最初階段，紅綠兩種狀態(tài)同時(shí)發(fā)生升高；隨著紅色狀態(tài)的升高，綠色狀態(tài)開(kāi)始下降，并最后穩(wěn)定在紅色狀態(tài)。而LO3菌株，由于在慢速生長(zhǎng)條件下為雙穩(wěn)態(tài)，全過(guò)程維持綠色狀態(tài)不變。研究將LacI和TetR的表達(dá)速率與瞬時(shí)生長(zhǎng)速率之間進(jìn)行準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)近似，構(gòu)建了基因線路的確定性動(dòng)力學(xué)模型。該模型可較好地捕捉細(xì)胞在升檔和降檔過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)特征。

盡管LO2菌株在任何生長(zhǎng)速率范圍內(nèi)均表現(xiàn)為雙穩(wěn)態(tài)，但因細(xì)胞發(fā)生了分化，該菌株在生長(zhǎng)降檔過(guò)程中一部分細(xì)胞仍能維持綠色狀態(tài)而一部分則分化為紅色。這一現(xiàn)象無(wú)法被確定性的動(dòng)力學(xué)模型所預(yù)測(cè)。科研團(tuán)隊(duì)利用勢(shì)能景觀圖（potential landscape），定量地研究了不同生長(zhǎng)速率下，基因表達(dá)的噪聲對(duì)細(xì)胞的命運(yùn)決定的影響。

研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)細(xì)胞生長(zhǎng)速率處于較慢或者較快時(shí)，勢(shì)能景觀中兩個(gè)穩(wěn)定態(tài)之間的能壘較低，這意味著細(xì)胞更易因噪聲而發(fā)生狀態(tài)的切換；因而LO2菌株在處于降檔過(guò)程中，一部分細(xì)胞在隨機(jī)性的推動(dòng)下發(fā)生狀態(tài)切換。

研究表明，細(xì)胞的命運(yùn)決定過(guò)程可以通過(guò)兩種方式?jīng)Q定——確定性機(jī)制，網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)態(tài)性質(zhì)變化，而引起細(xì)胞群體完全發(fā)生狀態(tài)切換；通過(guò)噪聲驅(qū)動(dòng)，在臨界點(diǎn)附近發(fā)生狀態(tài)的跳轉(zhuǎn)，以控制部分群體發(fā)狀態(tài)的切換。

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