噬菌体λ稳定溶源态中的随机性及基因开关的双稳态与态转换

摘要

生化反应中的双稳态通路是生物系统中普遍存在并非常重要的基础功能模块，噬菌体A的CI-Cro调控通路则是其中的典型代表。噬菌体λ生命周期存在两种生存模式：一种是噬菌体潜伏于宿主细胞中并与其一同分裂的溶源态，其中CI蛋白是维持溶源态稳定的唯一调控蛋白；另一种是噬菌体在宿主细胞内大量繁殖并最终分裂宿主细胞的裂解态，其中Cro蛋白为裂解态启动初期重要的基因表达产物与调控蛋白。基因cI与cro有着共同的调控区域，使二者可以通过各种反馈来调控各自及彼此的基因表达。通路中各个协同作用的反馈因素间的恰当配合，使得系统的双稳态通路平衡。溶源态下的噬菌体经过适当的诱导后会转换至裂解态，最终导致宿主细胞的裂解。本论文重点关注双稳态通路平衡的维持，CI蛋白在稳定溶源态的表达随机性，及诱导裂解态与反诱导过程中基因开关的转换。
　　在稳定溶源态中，即使存在完全相同的基因型与完全一致的实验条件，处于稳定溶源态下的cI基因表达水平依然存在巨大差异。若在这种随机（噪声）现象下预测表型，除需要了解基因型和基因表达水平外，还需要了解每个噪声影响因子对整体系统中表达噪声的贡献。基因表达噪声是生物物理学中著名的未解问题之一，其重要性源于基因表达过程本身的基础，其在生物过程中的中心地位与其中随机性来源与作用的未知。在基因表达过程中，噪声产生于一些内源性因素，即基因表达过程中涉及的生化反应；也产生于外源性因素，如细胞生长这类影响细胞全局的过程。在本论文中，我们用随机微分方程描述了噬菌体λ溶源态基因表达过程中涉及的重要噪声来源。结果表明DNA成环效应对基因表达噪声有着复杂的影响：当DNA环对c I基因产生抑制时，比如在野生型，成环效应会减弱表达噪声；而在一些系统负反馈被减弱的变异体中，成环效应反而会增加表达噪声。除此之外，我们还系统地研究了每一个调控区域结合位点对表达噪声的影响。结果显示，当CI蛋白对自身的正反馈强度处于特定中间区域时，系统会突然大幅增高表达噪声，同时cI的表达呈现双表达态。此外，我们发现细胞生长会引起不可忽视的噪声，并且这部分噪声与基因表达水平高度正相关。
　　出于对基础模块特定作用的认知，研究者对各种基础模块组成的较大网络进行参数扰动，结果发现调控强度等生化参数的变动对系统总体特性影响较弱，这体现了系统的健壮性。此处我们对双稳态通路的探究显示，在一些基础模块中系统表型对某些参数非常敏感。我们对一个人工合成的简化版噬菌体λ通路— TL噬菌体通路—进行建模。这个网络由双向相互抑制的负反馈及裂解态基因对自身的负反馈组成。结果表明，根据系统中各个反馈调控强度的不同，系统会呈现出截然不同的表型。当双向负反馈成为系统中的调控主导因素时，系统会出现双稳态，并伴随相变现象。这时，溶源态蛋白是维持溶源态的唯一抑制子。当裂解态基因的自抑制成为系统中的调控主导因素时，系统只存在单稳态，并且不存在相变现象。这时，溶源态蛋白与早期裂解态蛋白同为维持溶源态稳定性的抑制子。进一步的结果表明，在噬菌体原的诱导过程中，裂解态蛋白的表达水平变化趋势在上述两种情况中完全相反。
　　在合成生物学中，基于对一系列通路模块所对应表型的定性理解，人们可以将相应的模块进行整合以实现特定的生物功能。而我们的结果表明，在非常稳定的系统中仍然存在巨大的随机性。并且即使在最简单的生物网络中，调控强度的些许差异也会改变整个系统的行为，并产生截然不同的表型。这两项研究表明，在一个简单的通路模块中，各种随机因素会对模块的表型造成极大的影响。而在由一系列基础模块所构成的庞大生物调控网络中，噪声在模块间的传播会进一步的累积并放大这种随机性。更重要的是，在庞大的调控网络中，特定调控通道的强度所受到的细微影响可能会造成相应模块出现难以预测的表型，进而导致系统整体表型难以预测，异质性也就由此产生。这使得诸如本论文中对于基础通路模块行为的研究对于人们理解复杂调控网络的行为有着重要意义。

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