Science：通过数学建模揭示细胞如何选择自身命运

2022年1月28日讯/生物谷BIOON/---多稳定性（multistability）允许基因相同的细胞存在数千种分子不同和有丝分裂稳定的状态。构建合成的多稳定回路可以深入了解足以实现多稳定性的最小回路，并为在工程化细胞疗法中利用多细胞性建立基础。然而，针对哺乳动物细胞的研究工作仅限于双状态系统，或使用了不能轻易扩展的架构。除了产生长期的多稳定性，一种理想的合成架构还应重现天然细胞命运控制系统的关键特性，包括用瞬时的外部输入让细胞在不同状态之间切换的能力、控制特定状态的稳定性的能力，以及产生不可逆的状态转换的能力。尽管在确定许多天然细胞命运控制系统中的关键基因和调节相互作用方面开展了大量研究工作，但是仍不清楚哪些回路架构可以提供这些能力。

天然细胞命运控制系统表现出两种普遍的特征：积极的自动调节和组合性的蛋白-蛋白相互作用。在一项新的研究中，来自美国加州理工学院的研究人员根据类似的原则设计出一种称为MultiFate的最小回路架构，在这种架构中，一组转录因子竞争性地形成同源二聚体和异源二聚体，只有同源二聚体才能激活它们自身基因的表达。相关研究结果发表在2022年1月21日的Science期刊上，论文标题为“Synthetic multistability in mammalian cells”。

数学建模表明，MultiFate可以产生不同类型的多稳定性，支持可受到控制的状态切换，并实现不可逆的状态转换。至关重要的是，利用异源二聚体实现交叉抑制使得MultiFate可以通过添加新的转录因子扩展到更多的状态，而不需要重新设计现有的组分。这些特性表明，MultiFate可以为多稳定性提供一种理想的合成架构。

MultiFate支持长期、可控和可扩展的多稳定性，图片来自Science, 2022, doi:10.1126/science.abg9765。

为了构建MultiFate回路，这些作者首先设计了一套锌指转录因子，使得同源二聚体依赖的自激活和异源二聚体依赖的抑制成为可能。他们随后构建出一种称为MultiFate-2（由两种锌指转录因子组成）的最小回路，将它稳定地整合到CHO-K1细胞中，并获得了几种单克隆的MultiFate-2细胞系。流式细胞分析和延时成像显示，MultiFate-2细胞能够以三种不同的表达状态存在：主要表达一种锌指转录因子、主要要表达另一种锌指转录因子和主要要表达这两种锌指转录因子。这些状态中的每一种都能在数周或更长时间内保持稳定。通过使用外部诱导剂，他们能够让细胞在这些不同的状态中切换。最后，与模型预测一致，减少蛋白稳定性导致了三状态到双状态的分叉，选择性地破坏了表达两种锌指转录因子的状态，同时保留了表达单个锌指转录因子的状态。即使恢复了蛋白的稳定性，退出不稳定状态的细胞也不会返回，这重现了在许多天然命运控制系统中观察到的不可逆转的状态转换。

为了测试MultiFate设计的可扩展性，这些作者将第三种转录因子整合到MultiFate-2细胞系中。正如这种模型所预测的那样，所产生的MultiFate-3细胞可以在七种不同的状态下稳定存在18天以上。逐步降低蛋白的稳定性，使得这种系统从七状态（septastability）到六状态（hexastability）再到三状态（tristability）的反复分叉，从而进一步重现了天然细胞分化系统中细胞命运潜力的逐步丧失。建模表明MultiFate系统应该可以扩展到三种转录因子以上，以产生数百种健壮的稳定状态。

近期，单细胞转录组方法揭示了天然细胞状态的惊人多样性，使得如何产生和控制这种多稳定性的问题比以往任何时候都更加紧迫。MultiFate展示了一种相对简单的、受自然启发的架构如何能产生天然多稳定性的几种特征：它们通过转录因子的组合产生长期的多稳定性；它们允许使用外部诱导剂进行可受到控制的状态切换；它们允许对状态稳定性进行调节，这使得分层和不可逆的细胞转换成为可能。由于MultiFate可以随时扩展，通过添加新的转录因子产生更多的状态，它为探索多稳定性的回路级原理提供了一个可扩展的基础，并使合成生物学中的多细胞应用成为可能。（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Ronghui Zhu et al. Synthetic multistability in mammalian cells. Science, 2022, doi:10.1126/science.abg9765.