文獻分享——Emergent genetic oscillations in a synthetic microbial

文獻分享

Emergent genetic oscillations in a synthetic microbial consortium

本文描述了由兩(liang) 種不同細胞類型組成的合成微生物群落——一種“激活”菌株和一種“抑製”菌株。這些菌株產(chan) 生了兩(liang) 個(ge) 正交的細胞信號分子，當在微流體(ti) 裝置中一起培養(yang) 時，這兩(liang) 種菌株在種群水平上形成耦合的正反饋回路和負反饋回路，它們(men) 在跨越兩(liang) 個(ge) 菌株的合成回路中調節基因表達，產(chan) 生種群水平的振蕩。同時，結合使用數學建模和有針對性的遺傳(chuan) 擾動，我們(men) 得以更好地理解在產(chan) 生和維持振蕩的過程中，電路拓撲結構和調節啟動子強度的作用。這為(wei) 設計具有多種細胞類型的複雜合成組織和器官指明了方向。

01、激活株與(yu) 抑製株的振蕩回路

A圖與(yu) B圖是對應起來看的。A圖中每條基因線路與(yu) B圖中的每一個(ge) 效果相對應。其中激活株的自我正反饋的原因是激活株可以分泌產(chan) 生C₄HSL，該物質可以反過來促進自身基因的表達，以達到正反饋的效果。

線路②同樣是由於(yu) C₄HSL分泌出胞外，，而後進入抑製株，促進該菌株的3-OH C₁₄HSL物質的表達。路線④的產(chan) 生是由於(yu) 抑製株產(chan) 生的3-OH C₁₄HSL物質可以反過來促進抑製cinJ基因表達的LacI和aiiA基因表達，aiiA表達產(chan) 物可以降解兩(liang) 個(ge) 菌株之間信號分子的作用，這個(ge) 就是路線⑦的基因層麵原因，LacI基因的表達以達到抑製3-OHC₁₄HSL以及黃色熒光蛋白的表達，進而達到負反饋抑製自身的效果。

而路線③是由於(yu) 3-OHC₁₄HSL分泌到細胞外，進入激活株後，促進aiiA基因和LacI基因的表達，其中，aiiA可以發揮降解兩(liang) 個(ge) 菌株之間的信號分子的作用，以達到線路⑥的作用功能，LacI可以抑製rhll和cfp基因啟動子的表達。

C圖顯示的是利用熒光蛋白表征係統振蕩效果，其中藍色的線表征的是激活株，黃色的線表征的是抑製株。由圖可以看出，這兩(liang) 個(ge) 種群熒光效果之間呈現出明顯的振蕩關(guan) 係。

D圖對應的是五個(ge) 紅點（時間節點），藍色的表示激活菌，黃色表示抑製株。根據這個(ge) 圖像可以明顯可以看出這兩(liang) 個(ge) 菌落的表達效果是隨著時間變化而不斷振蕩的，表明該振蕩模型構建較為(wei) 成功。

02、額外的反饋線路

團隊構建了兩(liang) 種新的菌株（2和4）。激活菌株（2）中用P_lac代替了P_rhl/lac雜交啟動子，使該菌株中的青色熒光蛋白（cfp）與(yu) rhlI的表達不受C₄HSL誘導，相當於(yu) 去除了激活菌株自誘導的正反饋線路。抑製菌株（4）中去除了3-OH C₁₄HSL誘導P_cin開啟lacI表達的線路，相當於(yu) 去除了抑製菌株自抑製的負反饋線路。將四種菌株重新組合，得到了四種不同的拓撲學結構，這裏用PxNx代表四種組合（P表示正反饋線路條數，N表示負反饋線路條數）

團隊統計了10000個(ge) 對應不同拓撲結構的參數集，從(cong) 中找到1506個(ge) 參數集100-250 min範圍內(nei) 產(chan) 生周期振蕩。

分析發現，去除額外的反饋線路也可以產(chan) 生振蕩，P1N1（圖D）與(yu) P1N2（圖C）模型中，超40%的激活菌株產(chan) 生了雙峰振蕩。

去除額外的正反饋線路（P1N1/P1N2）可以延長振蕩周期（圖E）；而雙峰震蕩的出現也可以延長振蕩周期（圖F）。

03

兩(liang) 菌株種群比例振蕩穩定性的影響

在第三部分研究中，他們(men) 主要研究了自抑製、自促進兩(liang) 條回路對兩(liang) 菌株種群比例振蕩穩定性的影響，主要結論是自抑製回路對產(chan) 生穩定的振蕩起關(guan) 鍵作用。如Fig.3 A&F，對於(yu) 不同的啟動子強度組合，P2N2的振蕩都預測比P2N1更穩定。（驗證結果見Fig.3 B-E&G-J）

1. 未知模型參數的選擇：在10000個(ge) 參數集中發現1506個(ge) 參數集在100-250 min範圍內(nei) 產(chan) 生周期，與(yu) 前麵四組的實驗數據相匹配，可用於(yu) 後續研究。（Fig.S4）

2. 自抑製、自促進回路對種群比例振蕩穩定性的影響：數學模型顯示，P2N2和P1N2表現出相似的振蕩穩定性（振蕩參數集的百分比相似），且兩(liang) 者都比P2N1和P1N1更穩定。更具體(ti) 地說，自抑製回路對產(chan) 生穩定的振蕩起關(guan) 鍵作用，它嚴(yan) 格調節了係統中阻遏物的濃度；自促進回路則不具有必要性。（Fig.S6）

3. 組成型啟動子P_rhl/lac (strong, medium, weak) 的其它組合對該係統的影響：當抑製菌株中驅動cinI的啟動子從(cong) Prhl/lac-w轉變為(wei) Prhl/lac-m時，所有結果仍顯示出振蕩。（Fig.S7 A-D）盡管P1N2和P1N1的激活菌株產(chan) 生的振蕩不穩定，但抑製菌株產(chan) 生的振蕩仍是穩定的。（Fig.S7 C&D）

此外，他們(men) 對此產(chan) 生疑問：為(wei) 何P1N2和P1N1在沒有強啟動子的情況下抑製菌株仍表現出強烈的短周期振蕩？

4. 上述疑問的探究：數學模型顯示，在P1N2和P1N1中使用Prhl/lac-m時，產(chan) 生的振蕩主要源於(yu) 抑製菌株中AiiA介導的細胞內(nei) 負反饋回路，而不是兩(liang) 種菌株之間反饋回路。更具體(ti) 地說，抑製菌株中AiiA介導的負反饋回路比菌株之間的回路耗時更短，因此周期更短。（Fig.S8）