生物物理團隊李方廷、歐陽頎與數(shù)學學院李鐵軍等揭示噪聲驅動的細胞不同狀態(tài)間跳轉的動力學機理
細胞生活在不斷變化的復雜環(huán)境中。通過信號轉導通路，細胞傳遞外部信號和刺激到細胞內部的調控網絡，產生反應和應激。對于噪聲在信號轉導過程中的作用和對細胞狀態(tài)的影響，人們還缺乏直接的實驗證據(jù)和定量的研究。
為了研究噪聲在細胞信號轉導通路中的作用，北京大學物理學院、前沿交叉學科研究院定量生物學中心李方廷、歐陽頎團隊和數(shù)學科學學院李鐵軍課題組以及中國農業(yè)大學樓慧強課題組合作，選擇芽殖酵母DNA復制期（S期）檢查點通路的激活過程作為研究對象，提供了噪聲驅動細胞不同狀態(tài)轉換的直接證據(jù)，揭示了噪聲在細胞信號轉導通路中的動力學機理。該工作于2021年1月7日在線發(fā)表于學術期刊《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胞內熒光蛋白表達的時序數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了以下重要結果：在某一時刻，細胞群體存在著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，單個細胞存在著從off態(tài)到on態(tài)的跳轉，細胞群體在off態(tài)的跳轉等待時間呈指數(shù)分布，由此可以推算出兩態(tài)之間的跳轉速率；對于不同突變菌株和不同的刺激強度，細胞表現(xiàn)出了不同的跳轉速率。 進一步，作者通過簡化的隨機動力學模型，揭示該激活過程是噪聲驅動的雙勢阱之間的“barrier-crossing”過程，單個細胞的狀態(tài)由噪聲驅動從off態(tài)跳轉到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過程的速率。
北京大學物理學院、前沿交叉學科研究院定量生物學中心李方廷、數(shù)學科學學院李鐵軍和中國農業(yè)大學樓慧強為共同通訊作者。北京大學數(shù)學科學學院周沛劼、物理學院高鑫和中國農業(yè)大學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、國家自然科學基金、北京智源人工智能研究院等機構的支持。
文章鏈接：https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.11.011004
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圖1 噪聲驅動的雙勢阱模型以及細胞從OFF態(tài)向ON態(tài)的跳轉過程
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