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细胞信号网络存在致命弱点

 

  

 

    能够感知环境的变化,并作出精确的反应是所有生命体的基本需求。单细胞真核生物芽殖酵母通过细胞膜上的受体,能够感知环境中高盐渗透压的变化,并通过细胞内的MAPK 激酶信号转导网络做出精确的动力学响应。该能力使酵母细胞具有快速适应高浓度渗透压环境的能力。然而,20151119日《Science》杂志在线发表的一项研究表明酵母细胞的这种能力背后的信号网络可能存在着重大缺陷。

 

加州大学旧金山分校以及北京大学定量生物学中心的团队通过微流控系统,对生长在其内的酵母细胞进行复杂模式的高盐刺激发现,酵母细胞对于反复周期性刺激非常敏感,即使是非常温和的刺激剂量下,酵母细胞仍然不能适应乃至死亡。更令人惊讶的是,通过频率扫描测试,发现酵母细胞对于这种周期刺激具有特定的频率时间依赖性,在周期为8分钟的刺激条件下,酵母停止生长并逐渐死亡,而在高频(1分钟)或低频(32分钟)的刺激下酵母能够正常分裂增殖。结合计算模拟和实验研究表明,酵母细胞进化出的耐受高盐渗透压的适应性过程具有特定的时间尺度。正是这样的信号网络的响应时间尺度,决定了这种令人惊奇的频率敏感性。这就揭示出在特定环境中进化出的信号系统可能存在着某种缺陷。酵母细胞可能把这种周期性刺激误读成刺激逐渐增强,这一自然界中常发生的情况,从而做出了致命的错误决定。研究人员由此通过合成生物学方法,在酵母的MAPK 信号网络中引入了一个人工的负反馈回路,发现改造后的酵母可以一定程度上弥补这种缺陷。这一研究暗示着所有的细胞,包括我们人体细胞或者癌症细胞可能存在着类似某种特定的缺陷,这种 MAPK 信号网络在真核生物中非常保守,可以通过精心设计的外部动态干涉方式对癌症细胞的相应网络进行干扰,这样为基于生物网络的基本治疗提供新的思路。

 

    北京大学定量生物学中心、生命科学学院的魏平研究员和加州大学旧金山分校(UCSF) Wendell Lim 教授为本文的共同通讯作者,Wendell Lim实验室的博士后 Amir Mitchell为本文的第一作者。魏平研究员曾在 Wendell Lim 实验室进行博士后研究工作,于20137月回国加入北京大学定量生物学中心和生命科学学院开展系统与合成生物学方向的研究。

 

    该研究得到了美国国立卫生研究院(NIH)、美国国家科学基金(NSF)合成生物学研究中心(SynBERC)以及霍华德休斯研究所(HHMI)的资助,以及国家自然基金,科技部项目和北大清华生命科学联合中心的部分经费支持。

 

 

 

  

原文网址:http://www.sciencemag.org/content/early/2015/11/18/science.aab0892

 

 

频率依赖的酵母细胞生长