2023年5月17日,中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所細(xì)胞與基因線路設(shè)計(jì)中心魏平課題組與丹麥皇家科學(xué)院院長(zhǎng)Mogens H. Jensen課題組合作在Cell Systems上發(fā)表研究論文“Coupled oscillator cooperativity as a control mechanism in chronobiology”,通過(guò)合成生物學(xué)方法構(gòu)建了一種三元耦合振蕩系統(tǒng),并結(jié)合數(shù)學(xué)模型,首次深入地探討了生命系統(tǒng)中多重耦合振蕩系統(tǒng)中的調(diào)控機(jī)理。
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文章鏈接:https://doi.org/10.1016/j.cels.2023.04.001
物理世界中,多個(gè)振蕩波的相互疊加可能產(chǎn)生干涉條紋等復(fù)雜現(xiàn)象。事實(shí)上,周期振蕩式的動(dòng)力學(xué)行為不僅出現(xiàn)在物理現(xiàn)象中,在生命系統(tǒng)內(nèi)也廣泛存在。從生物鐘、體節(jié)發(fā)育、神經(jīng)沖動(dòng),到細(xì)胞周期、免疫調(diào)控、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo),生物系統(tǒng)中各組分的周期性變化幫助我們維持穩(wěn)定的節(jié)律、產(chǎn)生正確的發(fā)育結(jié)構(gòu)、對(duì)外界信息做出精準(zhǔn)而定量的響應(yīng);在這些過(guò)程中,往往會(huì)涉及到多種振蕩信號(hào)之間的相互作用。這種復(fù)雜系統(tǒng)中蘊(yùn)含著怎樣的調(diào)控原理,是一個(gè)重要卻難解的問(wèn)題。
同頻振蕩波的干涉(圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò))
小鼠體節(jié)發(fā)育中Hes7的行波(引自Yoshioka-Kobayashi et al., 2020)
圖1 物理系統(tǒng)與生物系統(tǒng)中的振蕩
早在17世紀(jì),物理學(xué)家惠更斯就發(fā)現(xiàn)兩個(gè)相互耦合的鐘擺在特定條件下可以發(fā)生神奇的同步現(xiàn)象,對(duì)這類(lèi)問(wèn)題的研究促生了非線性動(dòng)力學(xué)中著名的耦合振子模型(coupled oscillators)。這一模型可以預(yù)測(cè)兩個(gè)彼此關(guān)聯(lián)(或單向關(guān)聯(lián))的振子在何種條件下產(chǎn)生鎖頻、多穩(wěn)態(tài)極限環(huán)以及混沌。然而,經(jīng)典耦合振子模型刻畫(huà)的只是振子數(shù)n=2的簡(jiǎn)單情況,無(wú)法探討真實(shí)生物系統(tǒng)中當(dāng)n≥3時(shí)多種振蕩信號(hào)同時(shí)存在帶來(lái)的復(fù)雜性。多個(gè)振子會(huì)使系統(tǒng)變得更混亂還是更穩(wěn)定?這其中是否存在全新的調(diào)控機(jī)理? 探索這一問(wèn)題不僅需要在理論模型上進(jìn)行拓展,更需要簡(jiǎn)潔明了、沒(méi)有干擾的實(shí)驗(yàn)體系。
兩節(jié)拍器通過(guò)底部木板相互作用形成反相同步(圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò))
大腸桿菌中的合成振蕩系統(tǒng)被周期性阿拉伯糖刺激所同步(引自Mondragón-Palomino et al., 2011)
圖2 機(jī)械系統(tǒng)與生物系統(tǒng)中的耦合振子
為了探究這一問(wèn)題,本文作者對(duì)前期在酵母細(xì)胞中人工構(gòu)建的NF-κB振蕩系統(tǒng)(Zhang et al., 2017)進(jìn)行了改造,進(jìn)一步增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能夠受到兩種外部信號(hào)的控制。該系統(tǒng)的核心設(shè)計(jì)是基于人體細(xì)胞中的與免疫響應(yīng)相關(guān)的NF-κB/IκB信號(hào)分子構(gòu)成的負(fù)反饋線路,通過(guò)信號(hào)分子嫁接的方式,在酵母細(xì)胞中形成NF-κB的周期性激活過(guò)程。利用微流控芯片系統(tǒng),作者可以精確編程兩種外部輸入信號(hào)的振蕩周期與強(qiáng)度,從而實(shí)現(xiàn)了2個(gè)部周期信號(hào)與1個(gè)內(nèi)部周期信號(hào)相互作用的三振蕩系統(tǒng),為研究生命過(guò)程中多振蕩耦合問(wèn)題提供了可定量調(diào)控的活細(xì)胞實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。
圖3 雙輸入振蕩系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)
基于這一系統(tǒng)結(jié)合數(shù)學(xué)模型,作者發(fā)現(xiàn),雙重周期信號(hào)同時(shí)存在能夠顯著地提高內(nèi)外振蕩同步化的范圍、降低細(xì)胞群體振蕩動(dòng)力學(xué)的差異、提高同步化細(xì)胞在群體中所占的比例。模型模擬結(jié)果更表明,雙輸入條件能夠推遲混沌的發(fā)生。這些結(jié)果說(shuō)明了外界兩種周期信號(hào)對(duì)系統(tǒng)的作用并不是簡(jiǎn)單的線性疊加,而是以一種相互協(xié)同的形式產(chǎn)生作用。
圖4 雙重周期信號(hào)擴(kuò)大同步范圍、提高同步化細(xì)胞比例、延遲混沌發(fā)生
進(jìn)一步,作者注意到調(diào)整外界信號(hào)間的相位差能夠非常明顯地改變內(nèi)部振蕩的振幅,而保持內(nèi)部振蕩周期不變,從而實(shí)現(xiàn)理論上嚴(yán)格的“調(diào)幅不調(diào)頻”。深入探究表明,帶來(lái)最大振幅的信號(hào)相位組合與內(nèi)部系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)之間存在高度相關(guān)性。為了驗(yàn)證以上結(jié)論的普適性,作者還選取了三個(gè)不同的振蕩系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬。在范德波爾振子、p53振蕩系統(tǒng)和天然NF-κB振蕩系統(tǒng)中,以上結(jié)論均得到很好的重復(fù)。
圖5 調(diào)控外界周期信號(hào)相位實(shí)現(xiàn)調(diào)幅不調(diào)頻
最后,通過(guò)引入下游熒光報(bào)告基因,作者在實(shí)驗(yàn)和模型中確認(rèn)了這種相位調(diào)整帶來(lái)的振幅變化的確能造成基因表達(dá)水平的差異。這種差異與振蕩的基線水平、振蕩周期均無(wú)關(guān)。
圖6 通過(guò)改變外界周期信號(hào)間相位差,調(diào)控基因表達(dá)
本項(xiàng)研究首次同時(shí)在實(shí)驗(yàn)和理論水平揭示了多耦合振蕩系統(tǒng)中的協(xié)同性現(xiàn)象,發(fā)現(xiàn)了這類(lèi)系統(tǒng)中獨(dú)特的相位調(diào)控原理,拓寬了學(xué)界對(duì)于生物耦合振蕩系統(tǒng)的認(rèn)識(shí),以及對(duì)生物學(xué)中時(shí)間調(diào)控的理解。本研究中構(gòu)建的雙輸入人工合成振蕩系統(tǒng),可為后續(xù)進(jìn)一步探索多耦合振蕩中的基本問(wèn)題提供穩(wěn)健、可靠的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。這種從根本上理解生命系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理的工作,為人工設(shè)計(jì)合成生命、理解復(fù)雜疾病的發(fā)生機(jī)理提供了重要的理論基礎(chǔ)。
哥本哈根波爾研究所Mathias S. Helberg博士(中科院深圳先進(jìn)院訪問(wèn)學(xué)者)、北京大學(xué)定量生物學(xué)中心博士研究生姜源旭(中科院深圳先進(jìn)院客座學(xué)生)、中科院深圳先進(jìn)院博士后范盈盈(原北京大學(xué)定量生物學(xué)中心博士)為本文的共同第一作者。中科院深圳先進(jìn)院魏平研究員與哥本哈根大學(xué)玻爾研究所Mogens H. Jensen教授為本文的共同通訊作者。北京大學(xué)定量生物學(xué)中心歐陽(yáng)頎院士、錢(qián)瓏研究員對(duì)本項(xiàng)研究提供了寶貴的指導(dǎo)和意見(jiàn)。北京大學(xué)定量生物學(xué)中心博士研究生林維、原北京大學(xué)定量生物學(xué)中心博士張志博對(duì)本研究的前期結(jié)果提供了重要貢獻(xiàn)。本項(xiàng)研究獲得了科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略重點(diǎn)研究項(xiàng)目及深圳合成生物學(xué)創(chuàng)新研究院等項(xiàng)目的支持。
參考文獻(xiàn)
1. Yoshioka-Kobayashi, K., Matsumiya, M., Niino, Y., Isomura, A., Kori, H., Miyawaki, A., & Kageyama, R. (2020). Coupling delay controls synchronized oscillation in the segmentation clock. Nature, 580, 119-123.
2. Mondragón-Palomino, O., Danino, T., Selimkhanov, J., Tsimring, L.S., & Hasty, J. (2011). Entrainment of a Population of Synthetic Genetic Oscillators. Science, 333, 1315 - 1319.
3. Zhang, Z., Wang, Q., Ke, Y., Liu, S., Ju, J., Lim, W.A., Tang, C., & Wei, P. (2017). Design of Tunable Oscillatory Dynamics in a Synthetic NF-κB Signaling Circuit. Cell systems, 5 5, 460-470.e5 .