文献分享——Emergent genetic oscillations in a synthetic microbial

文献分享

Emergent genetic oscillations in a synthetic microbial consortium

本文描述了由两种不同细胞类型组成的合成微生物群落——一种“激活”菌株和一种“抑制”菌株。这些菌株产生了两个正交的细胞信号分子，当在微流体装置中一起培养时，这两种菌株在种群水平上形成耦合的正反馈回路和负反馈回路，它们在跨越两个菌株的合成回路中调节基因表达，产生种群水平的振荡。同时，结合使用数学建模和有针对性的遗传扰动，我们得以更好地理解在产生和维持振荡的过程中，电路拓扑结构和调节启动子强度的作用。这为设计具有多种细胞类型的复杂合成组织和器官指明了方向。

01、激活株与抑制株的振荡回路

A图与B图是对应起来看的。A图中每条基因线路与B图中的每一个效果相对应。其中激活株的自我正反馈的原因是激活株可以分泌产生C₄HSL，该物质可以反过来促进自身基因的表达，以达到正反馈的效果。

线路②同样是由于C₄HSL分泌出胞外，，而后进入抑制株，促进该菌株的3-OH C₁₄HSL物质的表达。路线④的产生是由于抑制株产生的3-OH C₁₄HSL物质可以反过来促进抑制cinJ基因表达的LacI和aiiA基因表达，aiiA表达产物可以降解两个菌株之间信号分子的作用，这个就是路线⑦的基因层面原因，LacI基因的表达以达到抑制3-OHC₁₄HSL以及黄色荧光蛋白的表达，进而达到负反馈抑制自身的效果。

而路线③是由于3-OHC₁₄HSL分泌到细胞外，进入激活株后，促进aiiA基因和LacI基因的表达，其中，aiiA可以发挥降解两个菌株之间的信号分子的作用，以达到线路⑥的作用功能，LacI可以抑制rhll和cfp基因启动子的表达。

C图显示的是利用荧光蛋白表征系统振荡效果，其中蓝色的线表征的是激活株，黄色的线表征的是抑制株。由图可以看出，这两个种群荧光效果之间呈现出明显的振荡关系。

D图对应的是五个红点（时间节点），蓝色的表示激活菌，黄色表示抑制株。根据这个图像可以明显可以看出这两个菌落的表达效果是随着时间变化而不断振荡的，表明该振荡模型构建较为成功。

02、额外的反馈线路

团队构建了两种新的菌株（2和4）。激活菌株（2）中用P_lac代替了P_rhl/lac杂交启动子，使该菌株中的青色荧光蛋白（cfp）与rhlI的表达不受C₄HSL诱导，相当于去除了激活菌株自诱导的正反馈线路。抑制菌株（4）中去除了3-OH C₁₄HSL诱导P_cin开启lacI表达的线路，相当于去除了抑制菌株自抑制的负反馈线路。将四种菌株重新组合，得到了四种不同的拓扑学结构，这里用PxNx代表四种组合（P表示正反馈线路条数，N表示负反馈线路条数）

团队统计了10000个对应不同拓扑结构的参数集，从中找到1506个参数集100-250 min范围内产生周期振荡。

分析发现，去除额外的反馈线路也可以产生振荡，P1N1（图D）与P1N2（图C）模型中，超40%的激活菌株产生了双峰振荡。

去除额外的正反馈线路（P1N1/P1N2）可以延长振荡周期（图E）；而双峰震荡的出现也可以延长振荡周期（图F）。

03

两菌株种群比例振荡稳定性的影响

在第三部分研究中，他们主要研究了自抑制、自促进两条回路对两菌株种群比例振荡稳定性的影响，主要结论是自抑制回路对产生稳定的振荡起关键作用。如Fig.3 A&F，对于不同的启动子强度组合，P2N2的振荡都预测比P2N1更稳定。（验证结果见Fig.3 B-E&G-J）

1. 未知模型参数的选择：在10000个参数集中发现1506个参数集在100-250 min范围内产生周期，与前面四组的实验数据相匹配，可用于后续研究。（Fig.S4）

2. 自抑制、自促进回路对种群比例振荡稳定性的影响：数学模型显示，P2N2和P1N2表现出相似的振荡稳定性（振荡参数集的百分比相似），且两者都比P2N1和P1N1更稳定。更具体地说，自抑制回路对产生稳定的振荡起关键作用，它严格调节了系统中阻遏物的浓度；自促进回路则不具有必要性。（Fig.S6）

3. 组成型启动子P_rhl/lac (strong, medium, weak) 的其它组合对该系统的影响：当抑制菌株中驱动cinI的启动子从Prhl/lac-w转变为Prhl/lac-m时，所有结果仍显示出振荡。（Fig.S7 A-D）尽管P1N2和P1N1的激活菌株产生的振荡不稳定，但抑制菌株产生的振荡仍是稳定的。（Fig.S7 C&D）

此外，他们对此产生疑问：为何P1N2和P1N1在没有强启动子的情况下抑制菌株仍表现出强烈的短周期振荡？

4. 上述疑问的探究：数学模型显示，在P1N2和P1N1中使用Prhl/lac-m时，产生的振荡主要源于抑制菌株中AiiA介导的细胞内负反馈回路，而不是两种菌株之间反馈回路。更具体地说，抑制菌株中AiiA介导的负反馈回路比菌株之间的回路耗时更短，因此周期更短。（Fig.S8）