细胞生长快慢决定命运走向
2023-03-27 11:00:30 来源: 中国科学报
3月24日,中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所研究员傅雄飞团队发表于《自然-化学生物学》的研究,通过定量实验和数理模型手段,深入探究了经典人工合成基因线路“拨动开关”的表观状态对细胞生长速率变化的响应,并揭示了这一现象背后的机制。该研究成果有助于更好理解细胞生长速率对细胞命运决定的全局调控,并为合成生物技术应用提供了新的研究思路。
合成“基因开关”编码细胞命运
细胞命运受基因表达、信号传导、生长环境等多种因素影响。由于缺乏对其全局、量化和理论层面的深入理解,了解和预测细胞命运走向成为生物科学领域的一个挑战。而近年发展起来的定量生物学及合成生物学,为应对上述挑战提供了新思路。
【资料图】
早在2000年,合成生物学先驱James Collins就构建了“基因拨动开关”基因线路。这种基因线路仿照了生物发育过程中广泛存在的基因网络调控逻辑,并用人工合成的方式进行了重构。该基因线路通过不同诱导剂的刺激,可以控制细胞状态的切换,在撤走诱导剂后细胞能维持当前状态不变,就像双向拨动开关一样。
在细胞的生长和分化过程中,细胞的分化导致其形态变化、功能特化,这一过程往往伴随细胞生长速率的变化,因此很难将细胞生长速率作为单独的变量,评估它对细胞命运决定过程的影响。而人工合成的“拨动开关”基因线路的状态切换并不影响细胞生长速率,使得该基因线路恰好成为研究相关问题的“利器”。
受细菌生理学研究工作的启发,研究团队观察了基因开关在不同细胞生长速率条件下的双稳态性。实验结果表明,“基因开关”的双稳态性与细胞生长速率存在关联。当细胞生长速率大于一定阈值时,“拨动开关”呈现双稳态性;当细胞生长速率小于一定阈值时,“拨动开关”的双稳态性出现了分岔。这表明在细胞命运决定的过程中,生长速率的变化可能引起基因调控网络的稳定状态变化,从而左右细胞命运走向。
为了深入探究细胞生理状态变化如何主导细胞命运决定过程,科研团队定量表征了不同生长状态下“拨动开关”中两个阻遏蛋白的表达水平,发现尽管两者的表达水平总体呈现与细胞生长速率负相关的趋势,但表达速率的最大峰值以及相对变化值不同。利用数理模型,科研团队评估了这种不一致的生长速率依赖的基因表达模式对“拨动开关”稳定状态的影响,并证明了基因表达的生长速率依赖性给“拨动开关”的双稳态性带来了分岔可能。
“细胞分裂后可以呈现不同的表型。该研究第一次将生长速率与细胞命运连接,为未来设计由生长速率直接或间接控制细胞表型的研究提供了定量理论依据和实施方案。”香港浸会大学教授汤雷翰说。
细胞命运决定新机制
细胞的生命活动过程是一个非平衡系统。那么,细胞命运的决策是如何在变动的环境下发生的?
科研团队通过扰动细胞生长速率来探究这一问题。通过动态改变培养基成分,研究人员实现了细胞生长速率切换,并实时追踪细胞群体状态。团队利用势能景观图定量研究了不同生长速率下基因表达的噪声对细胞命运决定的影响。
研究发现,当细胞生长速率较慢或者较快时,势能景观中两个稳定态之间的能垒较低,这意味着细胞更容易因噪声而发生状态切换。
通过细胞生长扰动实验,研究人员观察到了两种不同的细胞命运决定方式:一是确定性机制,基因调控网络的稳态性质变化会引起整个细胞群体发生状态切换;二是通过噪声驱动,细胞群体在临界点附近发生状态跳转,以控制部分群体发生状态切换。
该研究充分运用了定量合成生物学手段,通过数理模型分析和实验验证阐明了双稳态基因线路中状态选择与生长速率间的关系,为细胞命运决定机制研究提供了新见解。同时,该研究指出了一种细胞生理状态对合成基因线路影响的可能机制,可用于指导设计更加抗干扰、可预测的基因线路。
中国科学院院士、分子微生物学家赵国屏评价说,该研究从创新视角研究细胞命运的调控机制,为通过合成生物方法定量控制细胞命运用于医学和工业领域提供了新思路。
研究人员表示,定量合成生物学通过定量解析与合成重构相结合的研究范式,有望推动生命科学研究从定性、描述性、局部性研究,向定量、理论化和整体化研究变革。
“我们致力于践行这种研究范式,通过量化实验和数学模型增加对生命体系的理解,并应用合成生物学技术解析生命系统机制。”论文通讯作者傅雄飞说。(记者 刁雯蕙)
标签:
为您推荐
精彩放送
热门文章
-
天下车智|昔日SUV亚军如今名落孙山,途观销量为何大不如前? 当前通讯
-
冲刺A股两年的湖州银行,IPO梦何时能圆? 世界播报
-
原料成本上涨盈利能力下降,“化学茅”万华化学停不下扩张步伐
-
960万平方公里,哪里首先成“中国宝宝的专属奶源地”
-
连续增聘基金经理,陈金伟或将离职?宝盈基金人才不足问题凸显
-
哈尔滨银行新帅上任,面临重压
-
荣耀之后,妙可蓝多能否站稳“C位”?
-
《人民日报》:长虹推进新型工业化,实施数字化转型-每日头条
-
天下车智|起价仅17.49万元,一汽-大众ID. CROZZ家族实属超值
-
共享员工的尚品宅配在打什么算盘?
-
最资讯丨长虹·美菱开启“1年抢1回”活动 将绿色行动进行到底
-
9年来净利首次下降,宝丰能源一路高歌能否“顺势登顶”?
精彩图片
热文
-
每日热点:2023年03月27日全国外三元生猪价格行情涨跌表
-
为提振社会公共秩序与治安,英国开始严禁在公共场合饮酒|当前关注
-
洪都拉斯民众:洪中建交将推动两国经济往来|环球报道
-
展示《大卫》雕塑被指涉黄,美国一校长黯然去职
-
澳未来2年将拨款150万澳元,建心理健康中心缓解渔民焦虑
-
推迟夏令时引混乱,黎巴嫩出现两个时间 世界新视野
-
关于上海基煜基金销售有限公司代销旗下部分基金并进行费率优惠的公告
-
大成景尚灵活配置混合型证券投资基金A、C类份额增加上海联泰基金销售有限公司为销售机构的公告
-
天天视点!创金合信基金管理有限公司关于调整创金合信货币市场基金A类份额申购金额下限的公告
-
今日要闻!大成景尚灵活配置混合型证券投资基金A、C类份额增加上海联泰基金销售有限公司为销售机构的公告
-
华商基金管理有限公司关于旗下部分基金参加上海长量基金销售有限公司申购费率优惠活动的公告|世界观速讯
-
美国空袭!致19人死亡!这一国家警告:将“迅速回应” 世界热文
-
当前观察:硅谷银行“爆雷”事件,它获利超1亿美元?
-
普京俄将在白俄罗斯部署战术核武,美西方震惊!
-
天天要闻:美国在北约盟国到底部署了多少核武器?
-
易方达中证绿色电力交易型开放式指数证券投资基金上网发售的提示性公告
-
环球讯息:南方基金关于南方沪深300ESG基准交易型开放式指数证券投资基金增加部分券商为网下发售代理机构的公告
-
大成基金管理有限公司关于旗下部分基金增加上海中欧财富基金销售有限公司为销售机构的公告
-
关于景顺长城恒生消费交易型开放式指数证券投资基金(QDII)新增国泰君安证券等多家公司为发售代理机构的公告
-
平安基金管理有限公司关于旗下基金新增方正证券股份有限公司为申购赎回代办机构的公告|实时
-
鸡山岛的故事(逐梦)
-
山木培训良乡校区_今日快看
-
世界最新:美媒:美议员发第一条TikTok视频反对封禁TikTok,“就是觉得不太对”
-
【天天热闻】国际原子能机构实地证实利比亚失踪天然铀已找到
-
外媒:基辛格称若中美爆发第二次冷战,将比第一次冷战更危险_快看
-
俄将在白俄罗斯部署战术核武器,乌外交部呼吁安理会召开紧急会议
-
水晶能否种植在室内或室外 水晶能种植在室内或室外吗
-
强风暴逼近美国南部及中西部 超2000万人将受影响
-
叙利亚外交部:谴责美对叙东部部分地区发动袭击-天天新视野
-
自作自受,拜登政府导演的“TikTok”危机
-
环球观焦点:“有助于推动人类文明进步与发展”——访埃及著名汉学家、出版人艾哈迈德·赛义德
-
快报:金价“狂飙”!现在是入手“黄金期”吗
-
全球连线丨瑞典将鼓励更多企业来华投资
-
美国密西西比州龙卷风将碎片卷至9000米高空
-
俄媒:普京称嫉妒的人才说“俄罗斯依赖中国”,欧洲应该想想自己
-
捷信分期欠款逾期了六年有什么后果?逾期几天会被起诉吗? 每日信息
-
协同发展 | 驿马工业集中区代表团到武清开发区发调研考察-天天视讯
-
报告显示,去年自然灾害致全球经济损失2750亿美元
-
桔多多还款日当天几点还款不算逾期?还不了怎么处理?
-
当前短讯!美国空袭叙东部致死19人 伊朗发警告
-
近距离掠过 小行星距地球比月亮近
-
天天速看:外媒:普京称俄中未建立“军事同盟”,没有威胁任何国家
-
外媒:普京称西方正建立“新轴心集团”,“像二战时德日意”
-
国际货币基金组织:中国经济复苏将为世界经济增长作出贡献 今日快看
-
天天微头条丨度小满还款后多久能再借?还款日最后时间?
-
2023年科普短视频创作联合行动 在京正式启动|当前热议
-
热点追踪 | 桃李面包、妙可蓝多增收不增利,两家食品行业龙头遇瓶颈?
-
碧生源:减肥就吃清炒油菜搭配碧生源常菁茶
-
日本强征韩籍劳工受害者和家属申请临时执行涉案日企财产
-
外媒:特朗普抨击拜登混淆中国和加拿大,“美国是全世界的笑柄了”