15、双稳态遗传开关中资源分配决定细胞命运

双稳态遗传开关中资源分配决定细胞命运

1. 引言

活细胞需要持续供应某些资源来维持基因表达过程。基因表达所需的细胞资源（如核糖体和RNA聚合酶）的有限可用性，会显著改变系统动态。像结合速率的变化或所招募资源效率的变化等因素，有可能影响细胞命运决定等关键动态现象。

蛋白质的产生主要通过转录和翻译两个步骤，这其中包含了多个中间过程。为了理解细胞决策等复杂的细胞过程，或者在细胞内操作合成电路，对细胞或合成基因调控动态进行详细的数学研究至关重要。然而，细胞系统内部的极端非线性以及各过程之间的耦合性质，使得理解这些动态变得极为困难。

一些反复出现的遗传模式（即基序）在生物体中执行特定任务。基因开关是研究最为广泛的生物基序之一，其中两个基因（如lacI和tetR）相互抑制对方的表达。其动态通常从鞍结分岔的角度进行研究，系统会从单稳态转变为双稳态，再回到单稳态。在某些特定对称条件下，也会发生叉形分岔，单稳态区域在分岔点转变为双稳态区域并保持下去。双稳态为生物系统引入了一定的不可逆性，在细胞命运分化和决策中，基因开关基序被视为经典电路。

目前已经提出了多种控制基因开关的方法，如实时反馈控制、自动调节、噪声以及添加可扩散分子等。近年来的研究表明，蛋白质生产过程中细胞成分的有限可用性可以作为细胞动态中的一个强大参数。

在蛋白质生产的中间步骤中，基因从细胞中收集资源以完成表达。核糖体是翻译过程中最重要的资源，但不同细胞中游离核糖体的数量差异很大。例如，胰腺细胞含有大量核糖体，而光滑内质网表面没有核糖体，不参与蛋白质生产。核糖体的有限可用性会显著影响细胞动态，在高蛋白质活性或对合成构建体有较大资源需求时，会引发资源竞争。不仅是核糖体，RNA聚合酶、基因拷贝数、降解