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长春应化所首次发现并量化λ噬菌体决定细胞命运的景观及四种表达状态之间的转换
2018-08-13 | 编辑: | 【  

  λ噬菌体是最常见的一种感染大肠杆菌的温和噬菌体,称为生物界的氢原子,它典型的调控机制使其成为生物学家研究基因调控及细胞分化最优异的模型。互相抑制的转录因子CICro的相互作用决定了细胞的命运(即细胞最终处于裂解发育还是溶源发育)。尽管在过去几十年,λ噬菌体调控系统有所报道,但其调控机制仍然没有完全清楚。 

  近日,长春应用化学研究所汪劲研究员与房晓娜博士、刘琼博士联合美国约翰霍普金斯大学肖杰教授,发明一种新的双基因荧光报告子系统(DuTrAc),实现了单分子水平上在活的大肠杆菌细胞内同时对两种蛋白的产量进行实时跟踪。采用处于细胞内不同位置的同种荧光蛋白来代替传统的两种颜色的荧光蛋白对两个基因进行标记,从而可由位置来区分同一细胞内两种基因的蛋白表达情况。该技术避免了在研究基因调控动力学过程中,以往实验中利用两种荧光蛋白标记两个不同基因时存在的荧光蛋白成熟时间,漂白及降解时间不同所导致的时间延迟等问题,能够更加真实地还原基因的实时表达情况。在实验上,这一新的技术可以广泛应用大肠杆菌体内在单分子水平同时实现两种蛋白的更加精确地实时检测;同时还可以与蓝绿、黄、红三种荧光蛋白结合,实现六种蛋白的同时检测,为基因调控领域中基因表达的研究提供了新的途径。 

  过去的诸多研究都显示λ噬菌体的调控系统呈现两种表达状态:即细胞只表达CI或只表达Cro。从来没观察到两种蛋白同时表达的情况。研究团队通过实时实验,除了以往研究中看到的两种经典状态(高CI表达和高Cro表达),还发现了两个新的表达状态:CICro均处于高表达以及CICro均处于低表达。通过研究定量地描绘了其三维势能景观,并首次给出了四个表达状态之间的转换过程、转换概率及路径。这一发现打破了以往经典研究中对双向互抑制开关回路的细胞命运给出的描述,为探索基因型和环境在基因调控网络中对细胞命运影响的研究领域开辟了新的视角。这一研究结果颠覆了一直以来人们对λ噬菌体基因调控网络的认识,同时也进一步证实了该研究小组在理论上对非平衡和环境影响条件下基因表达的预言。。 

  该工作发表在近期的Nature Communications (2018) 9:2787  DOI: 10.1038/s41467-018-05071-1。 

(电分析化学国家重点实验室)

 
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