Как скорость роста клетки меняет ландшафт принятия клеточных решений

Гены и регуляторные связи между ними формируют сложные сети, определяющие траектории дифференцировки клеток. Однако мы всё ещё не можем понять и предсказать процесс принятия клеткой решения о своей судьбе, исходя только из топологии сети.

Исследовательская группа под руководством профессора Фу Сюнфэя из Шэньчжэньского института перспективных технологий Китайской академии наук выяснила, как глобальный регуляторный фактор — скорость роста клетки — меняет ландшафт принятия клеточных решений.

Исследование было опубликовано в Nature Chemical Biology 23 марта.

Учёные использовали классическую синтетическую генетическую схему — тумблерный переключатель (toggle switch) — в качестве модельной системы, чтобы изучить, в какой степени скорость роста клетки влияет на её фенотипические состояния. Они обнаружили, что реакция экспрессии генов на изменение скорости роста была несбалансированной, что приводило к фазовому переходу между доступными фенотипическими состояниями тумблера в зависимости от скорости роста.

Также был проанализирован бистабильный характер тумблера в различных условиях роста, что показало: устойчивые состояния бифурцируют при критическом значении скорости роста клетки. Учёные количественно оценили ёмкость экспрессии генов при разных скоростях роста и предложили математическую модель, объясняющую бифуркацию, возникающую из-за несбалансированного соотношения между экспрессией генов и скоростью роста.

«Чтобы дополнительно проверить возможности модели, мы сконструировали тумблеры с настроенными внутренними параметрами и успешно предсказали свойства их устойчивых состояний», — сказал профессор Фу, автор-корреспондент исследования.

Этот глобальный механизм регуляции не зависит от специфических регуляторных факторов. Он повсеместно присутствует для любых генов в сети принятия клеточных решений и может порождать или программировать новые паттерны экспрессии генов с пространственно-временным порядком.

«Трудно отделить глобальные факторы, такие как скорость роста, от процессов принятия клеткой решения о судьбе», — отметил профессор Фу, указав, что скорость роста может меняться как результат этого решения. «Это дилемма курицы и яйца».

Однако с помощью количественной синтетической биологии исследователи могут реконструировать ортогональные сети, изолированные от генетических сетей клетки-хозяина. Таким образом они могут оценить, как скорость роста влияет на экспрессию генов и как это способствует бифуркации фенотипических состояний клетки.