人工遗传回路模拟细胞如何选择“命运”

来源：科技日报 2022-01-26 08:41:38

科技日报北京1月25日电（记者张梦然）据最新一期《科学》杂志报道，美国加州理工学院研究人员开发出一种人工遗传回路，可展示细胞是如何选择其“命运”的。

我们每个人开始时都是一个细胞，然后增殖成数万亿个细胞构成人体。尽管每个细胞都具有完全相同的遗传信息，但每个细胞也都发挥着特殊的功能：神经元控制着我们的思想和行为，而免疫细胞学会识别和抵抗疾病，皮肤细胞保护人体免受外界伤害，肌肉细胞使人体能运动等等。

所有这些细胞类型都有一个共同的起源，即多能干细胞。干细胞可变成任何类型的细胞，就像是一个孩子如何成长为成年人，如何选择职业和人生道路等。干细胞如何选择命运取决于细胞基因组中复杂的反应链，也就是遗传回路。

研究人员研发出一种称为MultiFate的人工遗传回路，展示了一组相对较小的蛋白质成分及其相互作用如何通过一种称为“多稳定性”的特性来建立和控制更多的细胞状态。MultiFate使研究人员能够设计出单个活细胞，该细胞可变成不同的状态，这些状态各自稳定，但能够执行不同的功能——类似于人体内发生的事情。

MultiFate回路由3种基因组成，每种基因编码一种相应的转录因子（一种启动基因表达的蛋白质），并用不同颜色的蛋白质标记：红色、绿色或蓝色。这3种蛋白质中的每一种都通过与自己的DNA结合而自行启动，也可以相互黏附以阻断彼此的活性。

正如数学模型所预测的那样，MultiFate回路可让一个细胞以多达7种不同的状态存在（红色、绿色和蓝色蛋白质的不同组合），使细胞以7种不同色调中的任何一种发光：红色、绿色、蓝色、青色、白色、品红色或黄色。一旦细胞处于其中一种状态，就会保持这种状态，除非故意对其进行干扰。当细胞被“锁定”在一种命运（颜色）中，也会在其生长和分裂过程中将这种命运传递给它的子细胞。

与难以控制的天然细胞回路不同，MultiFate被设计成可使用某些药物诱导细胞在7种状态之间切换。

加州理工学院生物学和生物工程教授迈克尔·埃洛维茨表示，这项工作展示了如何从头开始设计和构建人工回路来研究基本生物现象。MultiFate的灵感来自天然细胞命运控制回路的特性，但它是自下而上设计的。它不仅有助于解释细胞为何存在如此多的命运，还可为扩展细胞疗法奠定基础，利用多种细胞类型来执行更复杂的治疗功能，这是单一细胞类型无法提供的。

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再精密的人体，曾经也只是一个受精卵。经过10个月的奇妙旅程，它成为一种高级生命。在这个过程中，不同的细胞，承担了不同的功能，它们被某种调控程序指挥着，井然有序地组成了多细胞生命结构。科研人员研发出的人工遗传回路Multifate，名字让人想到平行宇宙。是不是在每个命运的分叉口，做出不同的选择，就会有完全不同的“人生”？这种人工回路似乎给人类提供了一种“上帝视角”，能看到细胞如何切换不同的状态，走向不同的“成长方向”。