細(xì)胞生長快慢決定命運(yùn)走向

刁雯蕙

3月24日，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所研究員傅雄飛團(tuán)隊發(fā)表于《自然-化學(xué)生物學(xué)》的研究，通過定量實驗和數(shù)理模型手段，深入探究了經(jīng)典人工合成基因線路“撥動開關(guān)”的表觀狀態(tài)對細(xì)胞生長速率變化的響應(yīng)，并揭示了這一現(xiàn)象背后的機(jī)制。該研究成果有助于更好地理解細(xì)胞生長速率對細(xì)胞命運(yùn)決定的全局調(diào)控，并為合成生物技術(shù)應(yīng)用提供了新的研究思路。

細(xì)胞命運(yùn)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(yùn)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(dú)的變量，評估它對細(xì)胞命運(yùn)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(tuán)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(yùn)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(yùn)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(yùn)決定過程，科研團(tuán)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(tuán)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(yùn)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(yùn)的決策是如何在變動的環(huán)境下發(fā)生的？

科研團(tuán)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(tuán)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(yùn)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(yùn)決定方式：一是確定性機(jī)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(diǎn)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(yùn)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(yùn)決定機(jī)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(jī)制，可用于指導(dǎo)設(shè)計更加抗干擾、可預(yù)測的基因線路。

中國科學(xué)院院士、分子微生物學(xué)家趙國屏評價說，該研究從創(chuàng)新視角研究細(xì)胞命運(yùn)的調(diào)控機(jī)制，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)領(lǐng)域提供了新思路。

研究人員表示，定量合成生物學(xué)通過定量解析與合成重構(gòu)相結(jié)合的研究范式，有望推動生命科學(xué)研究從定性、描述性、局部性研究，向定量、理論化和整體化研究變革。

“我們致力于踐行這種研究范式，通過量化實驗和數(shù)學(xué)模型增加對生命體系的理解，并應(yīng)用合成生物學(xué)技術(shù)解析生命系統(tǒng)機(jī)制。”論文通訊作者傅雄飛說。

◎ 來源|中國科學(xué)報