定量解析“基因開關”，探索細胞命運決定機制

細胞可以通過命運決定過程來不斷適應環境變化，實現和完善其自身功能。理解細胞命運決定的具體機理對于回答復雜生命如何誕生、實現組織和器官再生、以及合成人工生命體等問題非常重要。

北京時間3月24日，一項發表于《自然—化學生物學》的研究通過定量實驗和數理模型的手段，深入探究了經典人工合成基因線路“撥動開關”的表觀狀態對細胞生長速率變化的響應，并揭示了這一現象背后的機制。這項研究成果有助于更好地理解細胞生長速率對細胞命運決定的全局調控，并為合成生物技術應用提供了新的研究思路。

該研究由中國科學院深圳先進技術研究院合成生物學研究所傅雄飛團隊完成，傅雄飛研究員為該文章的通訊作者，助理研究員朱靜雯和博士研究生儲攀為該文章的共同第一作者。合成生物研究重大科技基礎設施為該研究提供了重要支撐。

合成“基因開關”編碼細胞命運

細胞的命運受基因表達、信號傳導、生長環境等多種因素影響，由于缺乏對其全局、量化和理論層面的深入理解，使得理解和預測細胞命運的走向成為生物科學領域的一個挑戰。而近年發展起來的定量生物學以及合成生物學為理解這一問題提供了新思路。

早在2000年，合成生物學先驅James Collins構建了“基因撥動開關”（Toggle switch）基因線路。這種基因線路仿照了生物發育過程中廣泛存在的基因網絡調控邏輯，并用人工合成的方式進行了重構。通過不同誘導劑的刺激，可以控制細胞的狀態的切換，同時，在撤走誘導劑后，細胞還能夠維持當前狀態不變，就像雙向撥動開關一樣。

在細胞的生長和分化過程中，細胞的分化導致細胞形態變化和功能的特化，這一過程往往伴隨細胞生長速率的變化，因此，我們很難將細胞生長速率作為單獨的變量，評估它對細胞命運決定過程的影響。幸運的是，人工合成的撥動開關基因線路的狀態切換并不影響細胞的生長速率，因此，該基因線路恰好成為研究這一問題的“利器”。

受到細菌生理學研究工作的啟發，研究團隊觀察了“基因開關”在不同細胞生長速率條件下的雙穩態性。實驗結果表明，“基因開關”的雙穩態性與細胞的生長速率存在關聯關系。當細胞生長速率大于一定閾值時，“撥動開關”呈現雙穩態性；當細胞生長速率低于一定閾值時，“撥動開關”的雙穩態性出現了分岔。這表明，細胞命運決定過程中，生長速率的變化可能會引起基因調控網絡的穩定狀態變化，從而左右細胞的命運走向。

為了深入探究細胞生理狀態變化如何主導細胞的命運決定過程，科研團隊定量表征了不同生長狀態下撥動“開關”中兩個阻遏蛋白的表達水平，發現盡管兩者的表達水平總體呈現與細胞生長速率負相關的趨勢，但表達速率的最大峰值以及相對變化值是不盡相同的。利用數理模型，科研團隊評估了這種不一致的生長速率依賴的基因表達模式對“撥動開關”的穩定狀態的影響，并證明了基因表達的生長速率的依賴性給“撥動開關”的雙穩態性帶來了分岔的可能。

“細胞分裂后可以呈現不同的表型，這是發育生物學中一個基本且古老的問題。該項研究第一次將生長速率與細胞命運相連接，為未來設計由生長速率直接或間接控制細胞表型提供了定量理論依據和實施方案。”香港浸會大學教授湯雷瀚說道。

細胞命運決定新機制

細胞的生命活動過程是一個非平衡的系統，那么細胞命運的決策是如何在變動的環境下發生的？

科研團隊通過擾動細胞生長速率來探究這一問題，通過動態改變培養基的成分，來實現細胞生長速率切換，并實時追蹤細胞群體的狀態。團隊利用勢能景觀圖（potential landscape）定量研究了不同生長速率下，基因表達的噪聲對細胞的命運決定的影響。研究發現，當細胞生長速率處于較慢或者較快時，勢能景觀中，兩個穩定態之間的能壘較低，這意味著細胞更容易因噪聲而發生狀態的切換。

通過細胞生長擾動實驗，研究人員觀察到了兩種不同的命運決定方式：一是確定性機制，基因調控網絡的穩態性質變化會引起細胞群體完全發生狀態切換；二是通過噪聲驅動，細胞群體在臨界點附近發生狀態的跳轉，以控制部分群體發生狀態切換。

該研究充分運用了定量合成生物學手段，通過數理模型分析和實驗驗證，充分闡明了雙穩態基因線路中狀態選擇與生長速率間的關系，為細胞命運決定機制提供了新的見解。同時，該研究也指出了一種細胞生理狀態對合成基因線路影響的可能機制，并可以用于指導設計更加有抗干擾和可預測的基因線路。

中國科學院院士、分子微生物學家趙國屏評價道，該研究從一個創新的視角來研究細胞命運的調控機制，為通過合成生物方法定量控制細胞命運用于醫學和工業用途提供了新思路，對其相關研究領域具有重要的影響。

定量合成生物學通過定量解析與合成重構相結合的研究范式，將有望推動生命科學研究由定性、描述性、局部性的研究，向定量、理論化和整體化的變革。

“我們致力于踐行這種研究范式，通過量化實驗和數學模型來增加對生命體系的理解，并進一步應用合成生物學的技術來解析生命系統的機制。”傅雄飛研究員說道。

相關論文信息：https://www.nature.com/articles/s41589-023-01302-9