随机基因脉冲产生生命模式


ΣB电路的网络图。能量应力导致复杂的RSBPP(QP,紫色)去磷酸盐RSBV(v,蓝色)。环境应力从胁迫组(由RSBR(R,橙色)和RSB(S,橙色)亚基组成)释放RSBT(T,紫色)。RSBT然后绑定RSBU(U,紫色)并激活它,有源RSBU去磷酸化RSBV。去磷酸化的RSBV(V,蓝色)与RSBW(W,RED)绑定,释放σB(σb,绿色)与RNA聚合酶结合并激活其靶基因,包括其自己的操纵子。B inchstrip在生物膜促进培养基中生长的WT B.尖芽孢杆菌微胶体。PsigB-YFP(绿色)的异质表达水平反映脉冲活动。数字表示小时和分钟的时间。C随时间(代表痕迹)的组成荧光报告器(Psiga-RFP)的单细胞荧光值。对于WT D,ΔRSBRUE和ΔRSBQPF,菌株的PSIGB-YFP报告器的D-F单细胞荧光值随时间。 The time in hours is relative to the start of analysis. g, h Histograms of fluorescence intensities of WT cells for the constitutive reporter PsigA-RFP g and PsigB-YFP reporter h (For both, cells: 1157, movies: 6, experiments 2). i, j Histograms of PsigB-YFP expression for ΔrsbRU strain i (cells: 1178, movies: 5, experiments: 3) and ΔrsbQP strain j (cells: 1290, movies: 8, experiments 3). Histograms in g–j include all frames in movies with more than 8 cells. Source data are provided as a Source Data file.

剑桥大学的一组科学家致力于生物学和计算的交叉研究,他们发现随机基因活动有助于多细胞系统模型发展过程中的模式形成。

我们都是从一个单细胞开始生命的,它可以繁殖并发展成具有不同功能的特化细胞。这一复杂的过程依赖于对过程的精确控制,但这些新发现表明,随机过程也有助于形成模式。

在今天发表于自然通信的研究中,詹姆斯·洛克的科学家们在Sainsbury Labbridge大学和微软研究中的合作者中的队伍描述了他们在学习细菌生物膜时在随机性中发现了令人惊讶的顺序。

生物膜在自由活的单细胞细菌附着在表面并聚集在一起以开始乘以和散布在表面上。这些乘以单个细胞成熟以形成一种用作多细胞生物的三维结构。

虽然个体细胞可以自身生存,但这些细菌更喜欢与生物膜一起工作,是本质上的主要形式。生物膜联盟提供细菌,具有各种生存优势,如对环境应力的抗性增加。

研究人员开发了一种新的延时显微镜技术,以跟踪基因上相同的单细胞如何表达作为生物膜的发展。

联合领导作者尤金·纳德扎丁博士说:“我们看着细胞如何决定在生物膜中采取特定的作用。我们发现朝向生物膜表面有两种不同的细胞类型经常存在 - 形成休眠孢子的细胞和那些继续生长和激活保护压力反应的人。这两个细胞类型是互斥的,但它们都可能存在于同一位置。“

他们专注于获得关于单个细胞类型的基因表达(基因是活跃的还是不活跃的)如何随时间变化的详细图片,特别是一种被称为sigmaB的调节因子的表达,它促进应激反应并抑制孢子形成。他们发现sigmaB每隔一小时在细胞中随机脉冲启动和关闭,在生物膜上产生一种可见的孢子化和压力保护细胞模式。

为了理解脉冲的含义,研究人员生成了sigmab控制的应激反应和孢子形成系统的数学模型。

联合引导作者Niall Murphy博士说:“模型揭示了随机脉冲意味着在任何一次只有一部分细胞的细胞中将具有高的Sigmab活性和应力途径的激活,允许其余的细胞选择开发孢子。虽然脉冲是随机的,但我们能够通过一种简单的数学模型来展示,增加基因的表达在生物膜的不同区域之间产生换档模式。“

结果表明,基因表达的随机脉冲在生物膜发育过程中建立空间结构中起着关键作用。

洛克博士说:“这种随机性似乎控制了种群内细胞状态的分布——在这种情况下是生物膜。从这项工作中获得的见解可以用来帮助设计合成基因电路,以在多细胞系统中产生模式。电路不需要一种机制来单独控制每个细胞的命运,噪音可以用来在相邻的细胞之间随机分配备选任务。”

基因表达的随机脉冲使得能够在枯草芽孢杆菌生物膜中产生空间图案,自然通讯

天体学,基因组学,

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