據(jù)最新一期《科學(xué)》雜志報道，美國加州理工學(xué)院研究人員開發(fā)出一種人工遺傳回路，可展示細(xì)胞是如何選擇其“命運”的。

我們每個人開始時都是一個細(xì)胞，然后增殖成數(shù)萬億個細(xì)胞構(gòu)成人體。盡管每個細(xì)胞都具有完全相同的遺傳信息，但每個細(xì)胞也都發(fā)揮著特殊的功能：神經(jīng)元控制著我們的思想和行為，而免疫細(xì)胞學(xué)會識別和抵抗疾病，皮膚細(xì)胞保護(hù)人體免受外界傷害，肌肉細(xì)胞使人體能運動等等。

所有這些細(xì)胞類型都有一個共同的起源，即多能干細(xì)胞。干細(xì)胞可變成任何類型的細(xì)胞，就像是一個孩子如何成長為成年人，如何選擇職業(yè)和人生道路等。干細(xì)胞如何選擇命運取決于細(xì)胞基因組中復(fù)雜的反應(yīng)鏈，也就是遺傳回路。

研究人員研發(fā)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(zhì)成分及其相互作用如何通過一種稱為“多穩(wěn)定性”的特性來建立和控制更多的細(xì)胞狀態(tài)。MultiFate使研究人員能夠設(shè)計出單個活細(xì)胞，該細(xì)胞可變成不同的狀態(tài)，這些狀態(tài)各自穩(wěn)定，但能夠執(zhí)行不同的功能——類似于人體內(nèi)發(fā)生的事情。

MultiFate回路由3種基因組成，每種基因編碼一種相應(yīng)的轉(zhuǎn)錄因子(一種啟動基因表達(dá)的蛋白質(zhì))，并用不同顏色的蛋白質(zhì)標(biāo)記：紅色、綠色或藍(lán)色。這3種蛋白質(zhì)中的每一種都通過與自己的DNA結(jié)合而自行啟動，也可以相互黏附以阻斷彼此的活性。

正如數(shù)學(xué)模型所預(yù)測的那樣，MultiFate回路可讓一個細(xì)胞以多達(dá)7種不同的狀態(tài)存在(紅色、綠色和藍(lán)色蛋白質(zhì)的不同組合)，使細(xì)胞以7種不同色調(diào)中的任何一種發(fā)光：紅色、綠色、藍(lán)色、青色、白色、品紅色或黃色。一旦細(xì)胞處于其中一種狀態(tài)，就會保持這種狀態(tài)，除非故意對其進(jìn)行干擾。當(dāng)細(xì)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(xì)胞。

與難以控制的天然細(xì)胞回路不同，MultiFate被設(shè)計成可使用某些藥物誘導(dǎo)細(xì)胞在7種狀態(tài)之間切換。

加州理工學(xué)院生物學(xué)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(shè)計和構(gòu)建人工回路來研究基本生物現(xiàn)象。MultiFate的靈感來自天然細(xì)胞命運控制回路的特性，但它是自下而上設(shè)計的。它不僅有助于解釋細(xì)胞為何存在如此多的命運，還可為擴(kuò)展細(xì)胞療法奠定基礎(chǔ)，利用多種細(xì)胞類型來執(zhí)行更復(fù)雜的治療功能，這是單一細(xì)胞類型無法提供的。(記者 張夢然)

關(guān)鍵詞： 人工遺傳回路模擬細(xì)胞 人工遺傳回路 神經(jīng)元 免疫細(xì)胞