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蛋白质浓度的时间波动可以决定干细胞的命运

蛋白质浓度的时间变化如何影响生物学?这是生物学家直到最近才开始解决的一个问题,研究结果越来越表明某些蛋白质数量的随机时间变化在生物学过程中起着直接而重要的作用。

蛋白质浓度的时间波动可以决定干细胞的命运

在《分子系统生物学》上发表的一项新研究中,EPFL的David Suter实验室的研究人员发现,蛋白质浓度的时间波动可以决定胚胎干细胞将变成的细胞类型。

科学家研究了两个重要的转录因子,SOX2和OCT4,它们在胚胎干细胞中的水平会随着时间而变化。这两个转录因子对于胚胎干细胞的自我更新和分化(或“命运”)成为特定细胞类型都很重要。

为了监测它们的时间波动,该团队进行了复杂的基因组工程设计,在单个胚胎干细胞系中生成了5个敲入的“报告基因”。这些基因附着在感兴趣的基因(在本例中为SOX2和OCT4的基因)附近,并在靶基因在细胞中表达时产生可见信号(例如荧光),从而在其产生靶基因时“报告”相应的蛋白质。

使用这种方法,研究人员可以监视活细胞中SOX2和OCT4随时间的波动,并确定这些波动如何影响胚胎干细胞的命运。

研究发现,任一转录因子水平的微小变化都会影响细胞的命运,但只会在细胞生命的第一个细胞生长阶段(G1期)产生影响。增加的SOX2水平似乎将胚胎干细胞“推”入神经元型细胞(来自神经外胚层的细胞),而升高的OCT4水平则将细胞强烈导向神经元和非神经元分化的细胞类型。科学家发现,其原因是高OCT4水平增加了分化因子与细胞染色质的可及性。

由于转录因子浓度的波动在很大程度上由基因表达级联的固有随机性驱动,因此这些因素可能为我们重定向用于治疗目的的细胞命运决定的能力设置了基本限制。将需要进一步的工作来确定是否可以至少部分地抑制这些波动,以减轻它们对控制胚胎干细胞命运的影响。

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