人工遗传回路模拟细胞如何选择“命运”

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。