点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

正在阅读:细胞生长快慢决定命运走向
首页> 科技频道> 综合新闻 > 正文

细胞生长快慢决定命运走向

来源:中国科学报2023-03-27 10:41

  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。

  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)

[ 责编:焦子原 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 天暖春光好

  • 四川康定森林火灾明火已扑灭 雅江仍有断续火线

独家策划

推荐阅读
最新论文是第一篇指出宇宙组成不需要暗物质,同时也能与某些宇宙学关键观测结果相吻合的论文。
2024-03-19 09:24
方恩权透露,该研究成果用于广州、福州等多条地铁线路施工中,实现了盾构带压开仓超过100台·次,大大降低了盾构施工风险。
2024-03-19 09:23
据介绍,“海基二号”将于近期进行海上安装,建成后将服役于我国第一个深水油田二次开发项目,助推亿吨级深水老油田焕发新生机。
2024-03-19 09:23
高华伟介绍,实验室里,项目组正继续进行大豆耐密性、耐旱性的性状搜集,为下一步亲本选配做准备。
2024-03-19 09:22
截至3月18日14时,南水北调东中线一期工程累计调水突破700亿立方米。
2024-03-19 03:20
今年全国两会,“低空经济”成为热词,社会各界投以关注的目光。这个以有人驾驶和无人驾驶航空器的各类低空飞行活动为牵引,辐射带动有关领域融合发展的综合性经济形态,具有产业链长、辐射面广、成长性和带动性强等特点,是低空飞行活动与产业融合的新型经济形态。
2024-03-19 03:00
《中共中央办公厅国务院办公厅关于加强生态环境分区管控的意见》3月17日公开发布。意见出台的背景是什么?提出了哪些重点任务?记者就此采访了生态环境部有关负责人。
2024-03-18 09:49
近年来,随着我国新能源发电规模持续快速增长,新型储能进入大规模发展期。“十四五”以来,新增新型储能装机直接推动经济投资超过1000亿元,有力支撑能源电力发展,成为中国经济发展新动能。
2024-03-18 09:42
北京时间3月14日21时许,在地面科技人员的密切协同下,中国空间站材料舱外暴露实验装置及样品组合体由空间站机械臂成功转移至空间站气闸舱内。次日,航天员把取回的组合体从气闸舱转移至实验舱,并将装置内科学实验样品进行拆卸、存储。后续实验样品将随神舟飞船返回地面,移交科学家进一步开展地面研究工作。
2024-03-18 09:35
澳大利亚科学家开展的一项新研究表明,下一代锂硫电池有望在5分钟内完成充电,而不像目前这样需要数小时。这一突破有可能彻底改变储能技术,推动高性能电池系统的发展,为消费电子产品和电网应用储能系统提供性能更好的电力解决方案。相关论文发表于最新出版的《自然·纳米技术》杂志。
2024-03-18 09:26
17日,探月工程四期鹊桥二号中继星和长征八号遥三运载火箭在中国文昌航天发射场完成技术区相关工作,星箭组合体垂直转运至发射区,计划于近日择机实施发射。
2024-03-18 09:23
2024年,智慧海关建设进入全面实施阶段,将重点建设九大标志性工程,以数字化转型、智能化升级,推动海关监管服务越来越“智能”、越来越“自动”。
2024-03-18 09:22
今年,“人工智能+”首次被写入《政府工作报告》,这个新提法为发展数字经济、推进数实融合指明了新路径。值得注意的是,“人工智能+”不是简单相加,而是要通过新技术催生新质生产力,为经济社会各个领域带来新产业、新模式、新动能,发挥出乘数效应。
2024-03-15 09:32
各地区各部门压实责任,稳面积、提单产、强管理,扎实推进藏粮于地、藏粮于技,为夺取全年粮食丰收夯实基础。农业农村部有关负责人表示:“良田、良种、良法、良机、良制‘五良’技术集成,重点推广密植、水肥一体化等技术措施,让单产能够大面积提升。
2024-03-15 09:31
一辆49吨柴油重型卡车排放的二氧化碳相当于约40辆小轿车的排放量。与49吨柴油重卡相比,若把燃料换为液态的氢燃料电池,则每辆液氢重卡每年可减少碳排放约140吨,有望实现长途重载车辆的零排放。
2024-03-15 04:35
中国家用电器服务维修协会13日发布的数据显示,根据初步测算,2023年,家电服务业总体规模近万亿元,活跃法人单位数约10万家,服务收入及盈利增长已超过制造和销售行业。
2024-03-15 04:35
记者14日获悉,来自中国科学院物理研究所、国家纳米科学中心等单位的科研人员,通过研究三层石墨烯的菱形堆垛结构发现,在菱形堆垛三层石墨烯中,电子和红外声子之间具有强相互作用,这有望应用于光电调制器和光电芯片等领域。据悉,这项研究为理解菱形堆垛的三层石墨烯中的超导和铁磁等物理效应提供了新的视角。
2024-03-15 09:30
杨振清告诉记者,大多数主流社交平台和内容发布平台都有一系列规则和政策来限制伪科普内容的传播。北京科学中心副研究馆员孙小莉表示:“对于有意、无意传播的伪科普内容,平台应有相应的监管、处理方式,全力做到守土有责、守土尽责。
2024-03-15 09:28
高质量发展是增进民生福祉、提升人民幸福的发展,是解决新发展阶段社会主要矛盾的必然选择。
2024-03-14 09:42
要加强医疗监督执法队伍建设、建立健全定期会商工作机制、建立联合监督执法要情工作清单、推进问题线索跨部门联合处置,同时要建立重大案件督办机制、加强行政执法与刑事司法衔接,以及建立健全监督执法结果协同运用机制。
2024-03-14 09:38
加载更多