細(xì)胞分化使得基因型相同的細(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。對(duì)于細(xì)胞分化過程的發(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）的過程。盡管，我們可以解析絕大部分基因的功能，測(cè)量基因表達(dá)的時(shí)空動(dòng)力學(xué)，并繪制出基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的草圖；但是，在細(xì)胞命運(yùn)決定過程中，我們?nèi)匀粺o(wú)法理解基因差異表達(dá)的源頭是什么，也無(wú)法精確預(yù)測(cè)命運(yùn)決定過程的走向。
北京時(shí)間3月24日，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)在Nature Chemical Biology上發(fā)表題為“Unbalanced response to growth variations reshapes the cell fate decision landscape”的研究成果。該研究運(yùn)用造物致知的研究范式，通過定量實(shí)驗(yàn)和數(shù)理模型，深入探索細(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1——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)決定景觀（Landscape）。該研究提出：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，也為通過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。
文章上線截圖
科學(xué)家們通過生物化學(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，繪制出了細(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)，例如：雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)1、生物振蕩2、斑圖形成3，讓人類在造物之路上邁出了跨越式的腳步。然而，拋開該網(wǎng)絡(luò)中基因的細(xì)節(jié)，我們?nèi)匀粺o(wú)法理解在細(xì)胞命運(yùn)決定網(wǎng)絡(luò)中，信息是如何傳遞的；也無(wú)法完美預(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)出新的功能呢？
細(xì)胞生長(zhǎng)速率依賴的表型雙穩(wěn)態(tài)性
為了研究細(xì)胞的生長(zhǎng)速率對(duì)基因網(wǎng)絡(luò)是否可以存在影響，科研團(tuán)隊(duì)利用了經(jīng)典合成基因線路——撥動(dòng)開關(guān)線路（the toggle switch1）,來研究這種可能性。撥動(dòng)開關(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)也廣泛存在于自然界中，例如：λ噬菌體溶菌-溶原決定，線蟲左右味覺神經(jīng)分化。另外，構(gòu)成這一線路的元件已經(jīng)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，同時(shí)也利于定量分析網(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)的過程，平臺(tái)期的細(xì)胞都會(huì)處于紅色狀態(tài)（圖1）。故此推測(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4–6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，觀察了撥動(dòng)開關(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（圖2）。當(dāng)細(xì)胞生長(zhǎng)速率大于0.5 h-1 時(shí)，撥動(dòng)開關(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)開關(guān)的雙穩(wěn)態(tài)性出現(xiàn)了分岔（bifurcation），也就說，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)一步而言，似乎可以存在這樣的可能性：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。
基因表達(dá)對(duì)生長(zhǎng)速率變化的響應(yīng)的不平衡性
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)開關(guān)中兩個(gè)阻遏蛋白的表達(dá)水平。首先，科研團(tuán)隊(duì)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)放緩帶來的稀釋速率降低的影響；據(jù)此，科研團(tuán)隊(duì)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。科研團(tuán)隊(duì)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)上都是呈現(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)變化值是不盡相同的（圖3 a）。利用數(shù)理模型，科研團(tuán)隊(duì)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（圖3 b,c），并證明了這種生長(zhǎng)速率的依賴性給撥動(dòng)開關(guān)的雙穩(wěn)態(tài)性帶來了分岔的可能(圖3 d)。
臨界生長(zhǎng)速率的決定機(jī)制
通過進(jìn)一步分析數(shù)理模型，科研團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)撥動(dòng)開關(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。通過改變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，團(tuán)隊(duì)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，通過定量實(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（圖4）。科研團(tuán)隊(duì)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)，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。
分岔點(diǎn)的附近的動(dòng)力學(xué)行為
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)重要的問題是：細(xì)胞的生命活動(dòng)過程是一個(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)通過擾動(dòng)細(xì)胞生長(zhǎng)速率來探究這一問題，通過動(dòng)態(tài)改變培養(yǎng)基的成分，來實(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)。首先將細(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）。由此發(fā)現(xiàn)，初始狀態(tài)為綠色狀態(tài)的LO1菌株在生長(zhǎng)降檔過程最初階段，紅綠兩種狀態(tài)都同時(shí)發(fā)生升高；隨著紅色狀態(tài)的升高，綠色狀態(tài)開始下降，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)，全過程維持綠色狀態(tài)不變。科研團(tuán)隊(duì)將LacI和TetR的表達(dá)速率與瞬時(shí)生長(zhǎng)速率之間進(jìn)行了準(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，該模型能很好地捕捉細(xì)胞在升檔和降檔過程中的動(dòng)力學(xué)特征。
有趣的是，LO2菌株在生長(zhǎng)降檔過程中，細(xì)胞發(fā)生了分化，一部分細(xì)胞仍能維持綠色狀態(tài)，而一部分細(xì)胞分化為紅色，盡管，該菌株在任何生長(zhǎng)速率范圍內(nèi)都表現(xiàn)為雙穩(wěn)態(tài)。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，而后發(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)胞更容易因噪聲而發(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。
因此，細(xì)胞的命運(yùn)決定過程可以通過兩種方式?jīng)Q定：1.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；2.通過噪聲驅(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。
圖 [1]無(wú)論初始狀態(tài)是紅色還是綠色，細(xì)胞在平臺(tái)期都會(huì)處于紅色狀態(tài)，綠色細(xì)胞在進(jìn)入平臺(tái)期前會(huì)自發(fā)向紅色狀態(tài)切換。
圖 [2] 在不同培養(yǎng)條件下，細(xì)胞的穩(wěn)態(tài)狀態(tài)與數(shù)量將發(fā)生變化，當(dāng)細(xì)胞生長(zhǎng)速率低于0.5h-1時(shí)，細(xì)胞只存在紅色一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。
圖 [3] 實(shí)驗(yàn)與模型分析，生長(zhǎng)速率依賴的基因表達(dá)可以重塑細(xì)胞的命運(yùn)決定景觀圖。
圖 [4]改變阻遏蛋白的阻遏閾值可以平移基因線路對(duì)生長(zhǎng)速率響應(yīng)的分岔圖。
圖 [5] 不同基因線路對(duì)生長(zhǎng)波動(dòng)具有不可逆或可逆的命運(yùn)決定軌跡。
參考文獻(xiàn)
1. Gardner, T. S., Cantor, C. R. & Collins, J. J. Construction of a genetic toggle switch in Escherichia coli. Nature 403, 339–342 (2000).
2. Elowitz, M. B. & Leibler, S. A synthetic oscillatory network of transcriptional regulators. Nature 403, 335 (2000).
3. Liu, C. et al. Sequential Establishment of Stripe Patterns in an Expanding Cell Population. Science 334, 238–241 (2011).
4. Klumpp, S., Zhang, Z. & Hwa, T. Growth Rate-Dependent Global Effects on Gene Expression in Bacteria. Cell 139, 1366–1375 (2009).
5. Scott, M., Gunderson, C. W., Mateescu, E. M., Zhang, Z. & Hwa, T. Interdependence of Cell Growth and Gene Expression: Origins and Consequences. Science 330, 1099–1102 (2010).
6. Zheng, H. et al. General quantitative relations linking cell growth and the cell cycle in Escherichia coli. Nat Microbiol 5, 995–1001 (2020).
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