噬菌體λ穩(wěn)定溶源態(tài)中的隨機性及基因開關(guān)的雙穩(wěn)態(tài)與態(tài)轉(zhuǎn)換.pdf

1、生化反應(yīng)中的雙穩(wěn)態(tài)通路是生物系統(tǒng)中普遍存在并非常重要的基礎(chǔ)功能模塊，噬菌體A的CI-Cro調(diào)控通路則是其中的典型代表。噬菌體λ生命周期存在兩種生存模式：一種是噬菌體潛伏于宿主細(xì)胞中并與其一同分裂的溶源態(tài)，其中CI蛋白是維持溶源態(tài)穩(wěn)定的唯一調(diào)控蛋白；另一種是噬菌體在宿主細(xì)胞內(nèi)大量繁殖并最終分裂宿主細(xì)胞的裂解態(tài)，其中Cro蛋白為裂解態(tài)啟動初期重要的基因表達(dá)產(chǎn)物與調(diào)控蛋白。基因cI與cro有著共同的調(diào)控區(qū)域，使二者可以通過各種反饋來調(diào)控各自及

2、彼此的基因表達(dá)。通路中各個協(xié)同作用的反饋因素間的恰當(dāng)配合，使得系統(tǒng)的雙穩(wěn)態(tài)通路平衡。溶源態(tài)下的噬菌體經(jīng)過適當(dāng)?shù)恼T導(dǎo)后會轉(zhuǎn)換至裂解態(tài)，最終導(dǎo)致宿主細(xì)胞的裂解。本論文重點關(guān)注雙穩(wěn)態(tài)通路平衡的維持，CI蛋白在穩(wěn)定溶源態(tài)的表達(dá)隨機性，及誘導(dǎo)裂解態(tài)與反誘導(dǎo)過程中基因開關(guān)的轉(zhuǎn)換。
　　在穩(wěn)定溶源態(tài)中，即使存在完全相同的基因型與完全一致的實驗條件，處于穩(wěn)定溶源態(tài)下的cI基因表達(dá)水平依然存在巨大差異。若在這種隨機（噪聲）現(xiàn)象下預(yù)測表型，除需要了解

3、基因型和基因表達(dá)水平外，還需要了解每個噪聲影響因子對整體系統(tǒng)中表達(dá)噪聲的貢獻(xiàn)?；虮磉_(dá)噪聲是生物物理學(xué)中著名的未解問題之一，其重要性源于基因表達(dá)過程本身的基礎(chǔ)，其在生物過程中的中心地位與其中隨機性來源與作用的未知。在基因表達(dá)過程中，噪聲產(chǎn)生于一些內(nèi)源性因素，即基因表達(dá)過程中涉及的生化反應(yīng)；也產(chǎn)生于外源性因素，如細(xì)胞生長這類影響細(xì)胞全局的過程。在本論文中，我們用隨機微分方程描述了噬菌體λ溶源態(tài)基因表達(dá)過程中涉及的重要噪聲來源。結(jié)果表明DN

4、A成環(huán)效應(yīng)對基因表達(dá)噪聲有著復(fù)雜的影響：當(dāng)DNA環(huán)對c I基因產(chǎn)生抑制時，比如在野生型，成環(huán)效應(yīng)會減弱表達(dá)噪聲；而在一些系統(tǒng)負(fù)反饋被減弱的變異體中，成環(huán)效應(yīng)反而會增加表達(dá)噪聲。除此之外，我們還系統(tǒng)地研究了每一個調(diào)控區(qū)域結(jié)合位點對表達(dá)噪聲的影響。結(jié)果顯示，當(dāng)CI蛋白對自身的正反饋強度處于特定中間區(qū)域時，系統(tǒng)會突然大幅增高表達(dá)噪聲，同時cI的表達(dá)呈現(xiàn)雙表達(dá)態(tài)。此外，我們發(fā)現(xiàn)細(xì)胞生長會引起不可忽視的噪聲，并且這部分噪聲與基因表達(dá)水平高度正相關(guān)

5、。
　　出于對基礎(chǔ)模塊特定作用的認(rèn)知，研究者對各種基礎(chǔ)模塊組成的較大網(wǎng)絡(luò)進行參數(shù)擾動，結(jié)果發(fā)現(xiàn)調(diào)控強度等生化參數(shù)的變動對系統(tǒng)總體特性影響較弱，這體現(xiàn)了系統(tǒng)的健壯性。此處我們對雙穩(wěn)態(tài)通路的探究顯示，在一些基礎(chǔ)模塊中系統(tǒng)表型對某些參數(shù)非常敏感。我們對一個人工合成的簡化版噬菌體λ通路— TL噬菌體通路—進行建模。這個網(wǎng)絡(luò)由雙向相互抑制的負(fù)反饋及裂解態(tài)基因?qū)ψ陨淼呢?fù)反饋組成。結(jié)果表明，根據(jù)系統(tǒng)中各個反饋調(diào)控強度的不同，系統(tǒng)會呈現(xiàn)出截然不同

6、的表型。當(dāng)雙向負(fù)反饋成為系統(tǒng)中的調(diào)控主導(dǎo)因素時，系統(tǒng)會出現(xiàn)雙穩(wěn)態(tài)，并伴隨相變現(xiàn)象。這時，溶源態(tài)蛋白是維持溶源態(tài)的唯一抑制子。當(dāng)裂解態(tài)基因的自抑制成為系統(tǒng)中的調(diào)控主導(dǎo)因素時，系統(tǒng)只存在單穩(wěn)態(tài)，并且不存在相變現(xiàn)象。這時，溶源態(tài)蛋白與早期裂解態(tài)蛋白同為維持溶源態(tài)穩(wěn)定性的抑制子。進一步的結(jié)果表明，在噬菌體原的誘導(dǎo)過程中，裂解態(tài)蛋白的表達(dá)水平變化趨勢在上述兩種情況中完全相反。
　　在合成生物學(xué)中，基于對一系列通路模塊所對應(yīng)表型的定性理解，人

7、們可以將相應(yīng)的模塊進行整合以實現(xiàn)特定的生物功能。而我們的結(jié)果表明，在非常穩(wěn)定的系統(tǒng)中仍然存在巨大的隨機性。并且即使在最簡單的生物網(wǎng)絡(luò)中，調(diào)控強度的些許差異也會改變整個系統(tǒng)的行為，并產(chǎn)生截然不同的表型。這兩項研究表明，在一個簡單的通路模塊中，各種隨機因素會對模塊的表型造成極大的影響。而在由一系列基礎(chǔ)模塊所構(gòu)成的龐大生物調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中，噪聲在模塊間的傳播會進一步的累積并放大這種隨機性。更重要的是，在龐大的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中，特定調(diào)控通道的強度所受到的細(xì)