生物物理團(tuán)隊(duì)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(dòng)的細(xì)胞不同狀態(tài)間跳轉(zhuǎn)的動(dòng)力學(xué)機(jī)理
細(xì)胞生活在不斷變化的復(fù)雜環(huán)境中。通過信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，細(xì)胞傳遞外部信號(hào)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(duì)于噪聲在信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中的作用和對(duì)細(xì)胞狀態(tài)的影響，人們還缺乏直接的實(shí)驗(yàn)證據(jù)和定量的研究。
為了研究噪聲在細(xì)胞信號(hào)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(tuán)隊(duì)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(qiáng)課題組合作，選擇芽殖酵母DNA復(fù)制期（S期）檢查點(diǎn)通路的激活過程作為研究對(duì)象，提供了噪聲驅(qū)動(dòng)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(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中的動(dòng)力學(xué)機(jī)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(píng)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(qiáng)度下，分析不同突變菌株中單個(gè)細(xì)胞內(nèi)熒光蛋白表達(dá)的時(shí)序數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了以下重要結(jié)果：在某一時(shí)刻，細(xì)胞群體存在著S期檢查點(diǎn)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(gè)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(shí)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(duì)于不同突變菌株和不同的刺激強(qiáng)度，細(xì)胞表現(xiàn)出了不同的跳轉(zhuǎn)速率。 進(jìn)一步，作者通過簡化的隨機(jī)動(dòng)力學(xué)模型，揭示該激活過程是噪聲驅(qū)動(dòng)的雙勢(shì)阱之間的“barrier-crossing”過程，單個(gè)細(xì)胞的狀態(tài)由噪聲驅(qū)動(dòng)從off態(tài)跳轉(zhuǎn)到on態(tài)，其中刺激信號(hào)強(qiáng)度和通路中的正反饋共同決定了雙勢(shì)阱之間的勢(shì)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(qiáng)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(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、北京智源人工智能研究院等機(jī)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(dòng)的雙勢(shì)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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