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(diào)控機制使其成為生物學(xué)家研究基因調(diào)控及細胞分化最優(yōu)異的模型?；ハ嘁种频霓D(zhuǎn)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(fā)育還是溶源發(fā)育）。盡管在過去幾十年，λ噬菌體調(diào)控系統(tǒng)有所報道，但其調(diào)控機制仍然沒有完全清楚。?
近日，長春應(yīng)用化學(xué)研究所汪勁研究員與房曉娜博士、劉瓊博士聯(lián)合美國約翰霍普金斯大學(xué)肖杰教授，發(fā)明一種新的雙基因熒光報告子系統(tǒng)（DuTrAc），實現(xiàn)了單分子水平上在活的大腸桿菌細胞內(nèi)同時對兩種蛋白的產(chǎn)量進行實時跟蹤。采用處于細胞內(nèi)不同位置的同種熒光蛋白來代替?zhèn)鹘y(tǒng)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(qū)分同一細胞內(nèi)兩種基因的蛋白表達情況。該技術(shù)避免了在研究基因調(diào)控動力學(xué)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(dǎo)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(shù)可以廣泛應(yīng)用大腸桿菌體內(nèi)在單分子水平同時實現(xiàn)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(jié)合，實現(xiàn)六種蛋白的同時檢測，為基因調(diào)控領(lǐng)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(diào)控系統(tǒng)呈現(xiàn)兩種表達狀態(tài)：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(jīng)典狀態(tài)（高CI表達和高Cro表達），還發(fā)現(xiàn)了兩個新的表達狀態(tài)：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(tài)之間的轉(zhuǎn)換過程、轉(zhuǎn)換概率及路徑。這一發(fā)現(xiàn)打破了以往經(jīng)典研究中對雙向互抑制開關(guān)回路的細胞命運給出的描述，為探索基因型和環(huán)境在基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中對細胞命運影響的研究領(lǐng)域開辟了新的視角。這一研究結(jié)果顛覆了一直以來人們對λ噬菌體基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)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(huán)境影響條件下基因表達的預(yù)言。。?
該工作發(fā)表在近期的Nature Communications (2018) 9:2787 ?DOI: 10.1038/s41467-018-05071-1。?
(電分析化學(xué)國家重點實驗室)
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