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)在時空上控制了基因的表達(dá)量，從而編程了細(xì)胞命運決定（fate determination）的過程。盡管，我們可以解析絕大部分基因的功能，測量基因表達(dá)的時空動力學(xué)，并繪制出基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的草圖；但是，在細(xì)胞命運決定過程中，我們?nèi)匀粺o法理解基因差異表達(dá)的源頭是什么，也無法精確預(yù)測命運決定過程的走向。
北京時間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)研究所傅雄飛團隊在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。該研究運用造物致知的研究范式，通過定量實驗和數(shù)理模型，深入探索細(xì)胞生長速率對經(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)量對生長速率呈現(xiàn)不平衡、不同步的響應(yīng)，進(jìn)而重塑細(xì)胞命運決定景觀（Landscape）。該研究提出：生長速率可以在全局上調(diào)控基因表達(dá)網(wǎng)絡(luò)中每個基因的表達(dá)水平從而改變細(xì)胞命運，并不一定依賴特定調(diào)控因子。該研究為命運決定調(diào)控機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、以及信號的傳導(dǎo)機制，繪制出了細(xì)胞命運決定網(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法理解在細(xì)胞命運決定網(wǎng)絡(luò)中，信息是如何傳遞的；也無法完美預(yù)測該網(wǎng)絡(luò)運行的狀態(tài)，進(jìn)而推斷出細(xì)胞命運的走向。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網(wǎng)絡(luò)，是否存在特別的因素能夠重塑細(xì)胞命運決定景觀（Landscape），甚至涌現(xiàn)出新的功能呢？
細(xì)胞生長速率依賴的表型雙穩(wěn)態(tài)性
為了研究細(xì)胞的生長速率對基因網(wǎng)絡(luò)是否可以存在影響，科研團隊利用了經(jīng)典合成基因線路——撥動開關(guān)線路（the toggle switch1）,來研究這種可能性。撥動開關(guān)線路由兩個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)對基因線路的直接調(diào)控，同時也利于定量分析網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)態(tài)行為。
科研團隊偶然發(fā)現(xiàn)，在SOB培養(yǎng)基中，細(xì)胞的初始狀態(tài)無論是紅色狀態(tài)還是綠色狀態(tài)，細(xì)胞在經(jīng)歷一步生長的過程，平臺期的細(xì)胞都會處于紅色狀態(tài)（圖1）。故此推測，可能存在某種全局性的生理變化影響了細(xì)胞命運決定決策。
受到細(xì)菌生理學(xué)研究工作4–6的啟發(fā)，科研團隊在不同的細(xì)胞生理穩(wěn)定狀態(tài)（physiology steady state）下，觀察了撥動開關(guān)線路的穩(wěn)態(tài)特征以及雙穩(wěn)態(tài)性。實驗結(jié)果表明，基因線路的雙穩(wěn)態(tài)性與細(xì)胞的生長速率存在關(guān)聯(lián)關(guān)系（圖2）。當(dāng)細(xì)胞生長速率大于0.5 h-1 時，撥動開關(guān)存在雙穩(wěn)態(tài)性，當(dāng)細(xì)胞生長速率低于這一臨界生長速率時，撥動開關(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：生長速率的變化可以引起命運決定網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)態(tài)特性，并左右細(xì)胞的命運走向。
基因表達(dá)對生長速率變化的響應(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)胞的命運決定過程，科研團隊定量表征了不同生長狀態(tài)下?lián)軇娱_關(guān)中兩個阻遏蛋白的表達(dá)水平。首先，科研團隊發(fā)現(xiàn)，兩個基因的表達(dá)水平會隨著細(xì)胞生長速率放緩呈現(xiàn)出上升趨勢，同時，上升的速率大于細(xì)胞生長放緩帶來的稀釋速率降低的影響；據(jù)此，科研團隊推斷兩個基因的翻譯速率也隨細(xì)胞生長速率發(fā)生了變化。科研團隊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上都是呈現(xiàn)出與細(xì)胞生長速率負(fù)相關(guān)的關(guān)系，但表達(dá)速率的最大峰值以及相對變化值是不盡相同的（圖3 a）。利用數(shù)理模型，科研團隊評估了這種非平衡的生長速率依賴的基因表達(dá)模式對基因線路穩(wěn)定性的影響（圖3 b,c），并證明了這種生長速率的依賴性給撥動開關(guān)的雙穩(wěn)態(tài)性帶來了分岔的可能(圖3 d)。
臨界生長速率的決定機制
通過進(jìn)一步分析數(shù)理模型，科研團隊發(fā)現(xiàn)撥動開關(guān)發(fā)生分岔的臨界生長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)合位點序列，可以改變LacI 蛋白對TetR蛋白表達(dá)的阻遏閾值；由此，團隊得到了阻遏強度與原始序列（LO1）更強的兩個突變體，LO2和LO3，通過定量實驗，測定了三者的阻遏閾值，以及不同生理條件下的穩(wěn)態(tài)狀態(tài)與數(shù)量（圖4）。科研團隊發(fā)現(xiàn)，相較于LO1, LO2表現(xiàn)出在實驗可測的生長速率范圍內(nèi)均具有雙穩(wěn)態(tài)性，而LO3則表現(xiàn)為，在生長速率大于臨界生長速率時，呈現(xiàn)出綠色狀態(tài)的單穩(wěn)態(tài)，速率低于臨界生長速率時則呈現(xiàn)雙穩(wěn)態(tài)性。這一結(jié)果與數(shù)理模型的預(yù)測一致。
分岔點的附近的動力學(xué)行為
在穩(wěn)態(tài)條件下，生長速率可以重塑細(xì)胞的命運決定景觀。另一個重要的問題是：細(xì)胞的生命活動過程是一個非平衡的系統(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)基的成分，來實現(xiàn)細(xì)胞生長速率切換，并實時追蹤細(xì)胞的狀態(tài)。首先將細(xì)胞在快速生長條件下培養(yǎng)至生理穩(wěn)定狀態(tài)，再切換到營養(yǎng)貧瘠的培養(yǎng)基（生長降檔），等細(xì)胞恢復(fù)到生理穩(wěn)定狀態(tài)再切換回到營養(yǎng)豐富的培養(yǎng)基（生長升檔）。由此發(fā)現(xiàn)，初始狀態(tài)為綠色狀態(tài)的LO1菌株在生長降檔過程最初階段，紅綠兩種狀態(tài)都同時發(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，由于在慢速生長條件下為雙穩(wěn)態(tài)，全過程維持綠色狀態(tài)不變。科研團隊將LacI和TetR的表達(dá)速率與瞬時生長速率之間進(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力學(xué)特征。
有趣的是，LO2菌株在生長降檔過程中，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，該菌株在任何生長速率范圍內(nèi)都表現(xiàn)為雙穩(wěn)態(tài)。這一現(xiàn)象無法被確定性的動力學(xué)模型所預(yù)測。科研團隊利用勢能景觀圖（potential landscape），定量地研究了不同生長速率下，基因表達(dá)的噪聲對細(xì)胞的命運決定的影響，而后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)細(xì)胞生長速率處于較慢或者較快時，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)的切換；因而，LO2菌株在處于降檔過程中，一部分細(xì)胞在隨機性的推動下發(fā)生狀態(tài)切換。
因此，細(xì)胞的命運決定過程可以通過兩種方式?jīng)Q定：1.確定性機制，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，在臨界點附近發(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]無論初始狀態(tài)是紅色還是綠色，細(xì)胞在平臺期都會處于紅色狀態(tài)，綠色細(xì)胞在進(jìn)入平臺期前會自發(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)胞生長速率低于0.5h-1時，細(xì)胞只存在紅色一個穩(wěn)定狀態(tài)。
圖 [3] 實驗與模型分析，生長速率依賴的基因表達(dá)可以重塑細(xì)胞的命運決定景觀圖。
圖 [4]改變阻遏蛋白的阻遏閾值可以平移基因線路對生長速率響應(yīng)的分岔圖。
圖 [5] 不同基因線路對生長波動具有不可逆或可逆的命運決定軌跡。
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