生物物理團隊李方廷、歐陽頎與數(shù)學(xué)學(xué)院李鐵軍等揭示噪聲驅(qū)動的細(xì)胞不同狀態(tài)間跳轉(zhuǎn)的動力學(xué)機理
細(xì)胞生活在不斷變化的復(fù)雜環(huán)境中。通過信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，細(xì)胞傳遞外部信號和刺激到細(xì)胞內(nèi)部的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，產(chǎn)生反應(yīng)和應(yīng)激。對于噪聲在信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中的作用和對細(xì)胞狀態(tài)的影響，人們還缺乏直接的實驗證據(jù)和定量的研究。
為了研究噪聲在細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中的作用，北京大學(xué)物理學(xué)院、前沿交叉學(xué)科研究院定量生物學(xué)中心李方廷、歐陽頎團隊和數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院李鐵軍課題組以及中國農(nóng)業(yè)大學(xué)樓慧強課題組合作，選擇芽殖酵母DNA復(fù)制期（S期）檢查點通路的激活過程作為研究對象，提供了噪聲驅(qū)動細(xì)胞不同狀態(tài)轉(zhuǎn)換的直接證據(jù)，揭示了噪聲在細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中的動力學(xué)機理。該工作于2021年1月7日在線發(fā)表于學(xué)術(shù)期刊《物理評論X》（Physical Review X），文章題目為“Stochasticity Triggers Activation of the S-phase Checkpoint Pathway in Budding Yeast”。
在該工作中，作者通過在不同外界刺激強度下，分析不同突變菌株中單個細(xì)胞內(nèi)熒光蛋白表達(dá)的時序數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了以下重要結(jié)果：在某一時刻，細(xì)胞群體存在著S期檢查點的未激活off態(tài)和激活on態(tài)，表現(xiàn)為雙峰分布；在刺激過程中，單個細(xì)胞存在著從off態(tài)到on態(tài)的跳轉(zhuǎn)，細(xì)胞群體在off態(tài)的跳轉(zhuǎn)等待時間呈指數(shù)分布，由此可以推算出兩態(tài)之間的跳轉(zhuǎn)速率；對于不同突變菌株和不同的刺激強度，細(xì)胞表現(xiàn)出了不同的跳轉(zhuǎn)速率。 進一步，作者通過簡化的隨機動力學(xué)模型，揭示該激活過程是噪聲驅(qū)動的雙勢阱之間的“barrier-crossing”過程，單個細(xì)胞的狀態(tài)由噪聲驅(qū)動從off態(tài)跳轉(zhuǎn)到on態(tài)，其中刺激信號強度和通路中的正反饋共同決定了雙勢阱之間的勢壘高度和跳轉(zhuǎn)過程的速率。
北京大學(xué)物理學(xué)院、前沿交叉學(xué)科研究院定量生物學(xué)中心李方廷、數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院李鐵軍和中國農(nóng)業(yè)大學(xué)樓慧強為共同通訊作者。北京大學(xué)數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院周沛劼、物理學(xué)院高鑫和中國農(nóng)業(yè)大學(xué)李曉麗為共同第一作者。該研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、北京智源人工智能研究院等機構(gòu)的支持。
文章鏈接：https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.11.011004
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圖1 噪聲驅(qū)動的雙勢阱模型以及細(xì)胞從OFF態(tài)向ON態(tài)的跳轉(zhuǎn)過程
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