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

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。

加州理工學院生物學和生物工程教授邁克爾·埃洛維茨表示，這項工作展示了如何從頭開始設計和構建人工回路來研究基本生物現象。MultiFate的靈感來自天然細胞命運控制回路的特性，但它是自下而上設計的。它不僅有助于解釋細胞為何存在如此多的命運，還可為擴展細胞療法奠定基礎，利用多種細胞類型來執行更復雜的治療功能，這是單一細胞類型無法提供的。

總編輯圈點

再精密的人體，曾經也只是一個受精卵。經過10個月的奇妙旅程，它成為一種高級生命。在這個過程中，不同的細胞，承擔了不同的功能，它們被某種調控程序指揮著，井然有序地組成了多細胞生命結構。科研人員研發出的人工遺傳回路Multifate，名字讓人想到平行宇宙。是不是在每個命運的分叉口，做出不同的選擇，就會有完全不同的“人生”?這種人工回路似乎給人類提供了一種“上帝視角”，能看到細胞如何切換不同的狀態，走向不同的“成長方向”。 (記者張夢然)

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