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長春應化所首次發現并量化λ噬菌體決定細胞命運的景觀及四種表達狀態之間的轉換
文章來源:  |  發布時間:2018-08-17  |  【打印】 【關閉】  |  瀏覽:
  

  λ噬菌體是最常見的一種感染大腸桿菌的溫和噬菌體,稱為生物界的氫原子,它典型的調控機制使其成為生物學家研究基因調控及細胞分化最優異的模型。互相抑制的轉錄因子CI和Cro的相互作用決定了細胞的命運(即細胞最終處于裂解發育還是溶源發育)。盡管在過去幾十年,λ噬菌體調控系統有所報道,但其調控機制仍然沒有完全清楚。

  近日,長春應用化學研究所汪勁研究員與房曉娜博士、劉瓊博士聯合美國約翰霍普金斯大學肖杰教授,發明一種新的雙基因熒光報告子系統(DuTrAc),實現了單分子水平上在活的大腸桿菌細胞內同時對兩種蛋白的產量進行實時跟蹤。采用處于細胞內不同位置的同種熒光蛋白來代替傳統的兩種顏色的熒光蛋白對兩個基因進行標記,從而可由位置來區分同一細胞內兩種基因的蛋白表達情況。該技術避免了在研究基因調控動力學過程中,以往實驗中利用兩種熒光蛋白標記兩個不同基因時存在的熒光蛋白成熟時間,漂白及降解時間不同所導致的時間延遲等問題,能夠更加真實地還原基因的實時表達情況。在實驗上,這一新的技術可以廣泛應用大腸桿菌體內在單分子水平同時實現兩種蛋白的更加精確地實時檢測;同時還可以與藍綠、黃、紅三種熒光蛋白結合,實現六種蛋白的同時檢測,為基因調控領域中基因表達的研究提供了新的途徑。

  過去的諸多研究都顯示λ噬菌體的調控系統呈現兩種表達狀態:即細胞只表達CI或只表達Cro。從來沒觀察到兩種蛋白同時表達的情況。研究團隊通過實時實驗,除了以往研究中看到的兩種經典狀態(高CI表達和高Cro表達),還發現了兩個新的表達狀態:CI和Cro均處于高表達以及CI和Cro均處于低表達。通過研究定量地描繪了其三維勢能景觀,并首次給出了四個表達狀態之間的轉換過程、轉換概率及路徑。這一發現打破了以往經典研究中對雙向互抑制開關回路的細胞命運給出的描述,為探索基因型和環境在基因調控網絡中對細胞命運影響的研究領域開辟了新的視角。這一研究結果顛覆了一直以來人們對λ噬菌體基因調控網絡的認識,同時也進一步證實了該研究小組在理論上對非平衡和環境影響條件下基因表達的預言。。

  該工作發表在近期的Nature Communications (2018) 9:2787 DOI: 10.1038/s41467-018-05071-1。

     (長春應化所電分析化學國家重點實驗室)

 

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