脉冲式基因调控

单细胞分析表明，在环境刺激条件下，转录因子在胞内分布位置的变化可以调控目标基因的表达。

大多数转录因子发挥作用是连续的，但也有一些转录因子通过快速从细胞核内外穿梭来实现脉冲式调控。相比于连续作用模式，脉冲式调控具有一些优势。例如，根据脉冲的频率或幅度也能编码信息，提高传输的信息量。然而，这一现象的研究十分困难，因为不同细胞的转录因子调控脉冲的模式是不同的。Lin等人克服了这一障碍，证实了在环境刺激响应中，多种转录因子脉冲可以调节基因表达。

芽殖酵母中表达的Msn2蛋白是首个被确认为可通过脉冲方式调控基因的转录因子，当细胞暴露于光下时，Msn2会入核，从而激活靶基因的转录。这样的脉冲信号可能对细胞有利，也可能对细胞造成伤害，因为发送的信息随着时间的推移而变化。在电子设备中，一般通过确保多个组件可以执行相同的任务来解决这个问题。从理论上讲，这一原则也适用于细胞信号通路，通过多条整合的通路来传输信号脉冲，从而提高信号传输的可靠性。事实上，细胞信号通路也的确采用了这种策略，例如 Msn2与转录抑制蛋白Mig1相互拮抗，从而精细控制各种条件下的基因表达。

Lin等人使用不同的荧光蛋白来标记Msn2和Mig1，以此来研究这两种转录因子脉冲信号的动态过程。他们将这些细胞连接到一个微流体装置，细胞培养液流经该装置，该装置能够监控转录分子的运动，以及两种转录因子调控下后续基因的表达。

细胞培养液中葡萄糖的耗尽会引发Mig1出核和Msn2入核，从而增加靶基因的表达。如果Msn2和Mig1以简单的连续模式调控基因表达，或者如果他们以随机时长的脉冲模式调节，那么葡萄糖消耗会逐渐改变整个细胞群体的核转录因子的平均水平，靶基因的表达会逐渐提高到一个新的稳定状态。相反，Lin等人观察到，葡萄糖耗尽后会出现一个“瞬态阶段”，在这期间与之后达到稳态时的水平相比，Msn2和Mig1的核内平均水平分别增加和降低（图1A）。当系统发生改变时，就会出现这种超调——能够缩短目的基因的表达水平达到新稳态的时间。事实上，当葡萄糖浓度增加时，也会出现类似的现象： 能抑制靶基因表达的Mig1核内水平增加，降低靶基因相应的RNA的转录水平，从而快速降低相应蛋白的水平。

 脉冲式基因调控（图一）

图1解读转录因子脉冲。转录因子Msn2和Mig1以脉冲方式入核，分别能够激活和抑制相同的靶基因的转录。a，Lin等人发现，在环境刺激下，转录因子水平脉冲的变化。细胞培养基中的葡萄糖浓度降低导致核中Mig1水平在短时间内大幅度降低，而Msn2则快速增加。这种“超调”使细胞能迅速增加基因表达，适应变化。此瞬态阶段过后，从细胞群体的角度来看，二者的核内水平和基因表达保持稳定。b，Lin等人还发现，只有在瞬态阶段，所有细胞的脉冲信号才是同步的。在此阶段后，单细胞中的这两个转录因子水平随机发生变化。当Msn2和Mig1的脉冲重叠时，基因表达下降。当 Msn2的脉冲不与Mig1不重叠时，靶基因表达增加。

Lin等人推测，实验中观察到的超调可能并不是一个瞬态事件，在稳态条件下可能依旧存在，只是在细胞群体水平上无法观测到，因为群体水平上作用相互抵消。然而，分析单细胞时，Lin等人发现，在稳态环境条件下，每个转录因子的脉冲是零零散散毫无规则的，以至于无法定义单个脉冲。在原则上，许多标准可用于定义这样的脉冲，但大多数毫无实际意义。Lin等人基于名为棘波触发平均技术（spike-triggered averaging）的神经科学技术，开发了一种有趣而实用的方法来检测单个脉冲。Lin等人通过测量设定时间内波峰附近Mig1和Msn2的平均水平来测量脉冲。

为了证实该方法的有效性，Lin等人研究了Msn2和Mig1的脉冲变化下靶基因的表达。例如，如果Msn2脉冲没有与Mig1脉冲重叠（即 Mig1的核内水平没有增加时），靶基因的表达增加。相反，如果Msn2脉冲与Mig1脉冲重叠，那么Msn2的作用被抵消，靶基因表达减少。这些观察结果表明，稳态条件下也存在转录因子脉冲。

在葡萄糖浓度增加后的稳态中，重叠的脉冲比例增加，从而增强靶基因表达的抑制效率。相反，在瞬态阶段，Lin等人只能检测到非重叠脉冲，这表明瞬态时期脉冲的时长是受调控的。这种情况下，各个细胞的脉冲是同步的，从而造成群体水平的超调。

棘波触发平均技术在分析细胞规律性的震荡信号上非常强大。到目前为止，大多数研究都聚焦于平均细胞行为，但例如细胞周期检查点等细胞响应具有非常大的细胞间差异。棘波触发平均可能有助于解开这类响应的调节机制。

此外，Lin等人使用的方法可用于在不了解所有的系统参数情况下，分析基因调控。例如，目前的研究表明，一个完全重叠的抑制脉冲能够中和激活脉冲，并且即使抑制脉冲与激活脉冲相差几分钟，这种抵消作用仍然存在。需要注意的是，即使在Mig1活性较低的情况下，也并不是所有的Msn2脉冲都能促进靶基因表达。这提示着，在今后的基因调控完整模型研究中，必须包括大规模行动动力学、随机建模和反应机制的识别。这些领域的研究在近年已取得巨大发展，并可能会整合起来，从而为从细节上理解信号通路的动态学做铺垫。（基因宝jiyinbao.com）