人工遺傳回路模擬細胞如何選擇“命運”

科技日報北京1月25日電 （記者張夢然）據最新一期《科學》雜志報道，美國加州理工學院研究人員開發出一種人工遺傳回路，可展示細胞是如何選擇其“命運”的。

我們每個人開始時都是一個細胞，然后增殖成數萬億個細胞構成人體。盡管每個細胞都具有完全相同的遺傳信息，但每個細胞也都發揮著特殊的功能：神經元控制著我們的思想和行為，而免疫細胞學會識別和抵抗疾病，皮膚細胞保護人體免受外界傷害，肌肉細胞使人體能運動等等。

所有這些細胞類型都有一個共同的起源，即多能干細胞。干細胞可變成任何類型的細胞，就像是一個孩子如何成長為成年人，如何選擇職業和人生道路等。干細胞如何選擇命運取決于細胞基因組中復雜的反應鏈，也就是遺傳回路。

研究人員研發出一種稱為MultiFate的人工遺傳回路，展示了一組相對較小的蛋白質成分及其相互作用如何通過一種稱為“多穩定性”的特性來建立和控制更多的細胞狀態。MultiFate使研究人員能夠設計出單個活細胞，該細胞可變成不同的狀態，這些狀態各自穩定，但能夠執行不同的功能——類似于人體內發生的事情。

MultiFate回路由3種基因組成，每種基因編碼一種相應的轉錄因子（一種啟動基因表達的蛋白質），并用不同顏色的蛋白質標記：紅色、綠色或藍色。這3種蛋白質中的每一種都通過與自己的DNA結合而自行啟動，也可以相互黏附以阻斷彼此的活性。

正如數學模型所預測的那樣，MultiFate回路可讓一個細胞以多達7種不同的狀態存在（紅色、綠色和藍色蛋白質的不同組合），使細胞以7種不同色調中的任何一種發光：紅色、綠色、藍色、青色、白色、品紅色或黃色。一旦細胞處于其中一種狀態，就會保持這種狀態，除非故意對其進行干擾。當細胞被“鎖定”在一種命運（顏色）中，也會在其生長和分裂過程中將這種命運傳遞給它的子細胞。

與難以控制的天然細胞回路不同，MultiFate被設計成可使用某些藥物誘導細胞在7種狀態之間切換。