合成生物学的一个重要目标是建立控制系统，使细胞进入多种稳定状态，就像生物发育过程中的生物信号系统一样。多稳定性允许基因相同的细胞存在于数千个分子不同和有丝分裂稳定的状态。构建合成多稳定电路可以提供对多稳定所需的最小电路的深入研究，并且为工程细胞疗法开发多细胞性奠定基础。然而，对哺乳动物细胞的研究仅限于双态系统，或者使用了不能轻易扩展的结构。除了产生长期的多稳定性，理想的合成结构还将再现自然细胞命运控制系统的关键特性，包括用瞬时外部输入在状态间切换细胞的能力，控制特定状态的稳定性，以及产生不可逆的状态转换。尽管已经在许多自然细胞命运控制系统的关键基因和调控相互作用方面做了大量的工作，但什么电路结构可以提供这些功能仍然不清楚。
近日，加州理工学院Michael B. Elowitz课题组设计了一种基因电路，通过设计的锌指转录因子实现这种控制，锌指转录因子通过同源二聚和异源二聚相互作用，并可由控制转录因子二聚和稳定性的小分子调控。数学模型可以对系统的行为进行计算预测，在培养的哺乳动物细胞中引入三种设计好的转录因子可以使细胞进入七种不同的稳定状态。了解这种多稳定性在合成生物学中是有重要意义的，可以帮助确定其在发展和疾病过程中的作用。相关工作以“Synthetic multistability in mammalian cells”为题发表在最新一期的《Science》，第一作者为Zhu Ronghui博士。
第一作者：Zhu Ronghui
图1. 受到自然启发的MultiFate架构在模型中产生了多种类型的多重稳定性。
自然细胞命运控制系统表现出两个普遍的特征:积极的自我调节和组合蛋白-蛋白相互作用。基于类似的原理，研究人员设计了一个最小的电路结构，称为MultiFate，其中一组转录因子竞争性地同源二聚和异源二聚，只有同源二聚体激活其自身基因的表达。数学建模表明，MultiFate可以产生多种类型的多稳定性，支持受控状态切换，并能实现不可逆状态转换。关键的是，利用异质二聚体实现交叉抑制，只需添加新的转录因子，就可以将MultiFate扩展到更多的状态，而不需要重新设计现有的组件。这些特性表明MultiFate可以为多稳定性提供一个理想的合成体系结构。
图2. 工程转录因子使同源二聚体依赖的自调节和异质二聚体基础的抑制
图3. MultiFate-2产生多种稳定状态
图4. MultiFate-2支持状态稳定性的调制，并允许状态切换。
图5. MultiFate架构是可扩展的，可以包含三个甚至更多的转录因子
单细胞转录组研究方法揭示了自然细胞状态的惊人多样性，这使得这种多稳定性是如何产生和控制的问题比以往任何时候都更加迫切。MultiFate展示了一个相对简单、自然的建筑如何产生自然多稳定性的几个特征：它们通过转录因子的组合产生长期的多稳定性;它们允许使用外部诱导器控制状态切换;它们允许对状态稳定性进行调节，从而允许分层和不可逆的细胞过渡。由于MultiFate可以通过添加新的转录因子来生成更多的状态，因此它为探索电路级的多稳定性原理提供了可扩展的基础，并使合成生物学中的多细胞应用成为可能。
值得一提的是，Colin Kunze和Ahmad S. Khalil对这项工作进行了高度评价，以“One cell, many fates”为题发表在《Science》上。
60多年前，Waddington提出了多稳定性的概念，这是动力系统的一种特性，来解释细胞在发育过程中如何从一个未分化的状态发展到各种不同的细胞命运。此后人们发现，即使是在一个单一的组织中，细胞状态也有惊人的多样性；然而，它们是如何产生和维护的仍不清楚。Zhu等人的工作创造性地开发了MultiFate，这是一种基因电路设计，可以解锁哺乳动物细胞中可控和可扩展的多稳定性。它们产生7种稳定的细胞状态和状态之间的过渡细胞，或者通过精巧的控制使一度稳定的状态完全不稳定。
MultiFate的设计框架受到了调节干细胞分化和发育的自然转录网络的启发。这些网络通常以正反馈环为特征，涉及转录调控因子(TFs)和转录因子之间的混杂结合，这与产生多稳定性有关。MultiFate利用了这一特性，使用带有混杂交互的自动激活合成TFs来最终生成多稳定性(见图)。
MultiFate还提供了一个平台，用于探索转录分化电路如何与细胞状态的其他控制器(如细胞信号)接口。MultiFate结合新兴的合成细胞-细胞信号系统，如SynNotch受体，可以产生更复杂的发育轨迹，为自然发育提供见解。最后，MultiFate可以使一种通用细胞治疗工具的工程，该工具可以编码许多潜在的治疗状态，并可以指导为个人量身定制的命运。
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abg9765
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn6548
来源：高分子科学前沿
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