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PNAS | 网络结构如何实现细胞周期的独立调控

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细胞的生存依赖多种生化反应,这些反应承担不同功能,并需要受到适当调控。一种反应的产物可以成为另一种反应的底物,使细胞内的反应相互连接,形成庞大的网络。那么,在这样一个彼此连接的动态系统中,承担不同功能的物质能否分别受到独立调控?

京都大学医生物学研究所山内悠平特定助教、望月敦史教授等此前通过数学理论证明:当反应网络中的部分结构满足特定条件时,它就会形成缓冲结构(buffering structure),表现出模块性(modularity),即局部反应参数的变化能够在稳态(steady state)下仅影响结构内部。

在本研究中,研究团队与东京科学大学地球生命研究所杉山博纪特任助教,以及京都大学生命科学研究科后藤祐平副教授、青木一洋教授合作,在酵母细胞周期系统中,通过定量实验检验了“缓冲结构能够实现局部独立调控”这一数学预测。通过比较数学预测与定量实验结果,研究人员还推导出原有网络中缺失的一条反应,并通过进一步实验获得了支持。相关成果于近日以Network topology creates independent control of multiple checkpoints in the cell cycle system为题,在线发表于PNAS。



图1 研究整体概念图。反应网络中的缓冲结构,使相互连接的生化系统能够实现局部独立调控。

01相互连接的反应如何独立调控

细胞内的化学反应通过共享底物和产物相互连接,细胞的各种功能也由这一网络的动态变化产生。催化反应的酶,其含量或活性发生变化时,会改变相关物质的含量,进而调节细胞功能。然而,局部变化似乎也可能沿着网络传播,影响其他物质。如何在同一个反应系统中分别调控不同功能,一直是生物学中的一个基本问题。

近年来,研究团队发展了结构敏感性分析(Structural Sensitivity Analysis,SSA)。这一数学方法依据反应网络的结构,分析酶含量或活性等参数变化时,系统中物质的稳态浓度(steady-state concentration)和反应通量(reaction flux)如何响应。它属于不依赖具体动力学模型的理论(model-free theory),无需预先指定具体的反应速率函数或参数数值。

基于这一方法,研究者证明,模块性可以由网络拓扑结构(network topology),即各组成部分的连接关系产生。在结构敏感性分析的稳态框架下,对于一个子网络(subnetwork),若其反应集合包含所有速率依赖于内部物质浓度的反应,即满足输出完备性(output-completeness),且结构指标满足下式,它便构成缓冲结构:

λ = - N s + N r - N c + N d = 0

式中,四个N项依次表示子网络中化学物种(chemical species)数量、反应(reactions)数量、独立化学计量循环(cycles)数量,以及涉及子网络内部物质的独立守恒量(conserved quantities)。化学物种包括模型中区分的分子、复合物或分子状态;后两项按化学计量关系计算,守恒量还可能同时涉及子网络外部的物质。

当缓冲结构内部的反应参数变化时,稳态影响局限在结构内部,不会改变外部物质的稳态浓度和反应通量。这种性质称为局域化定律(law of localization)。

这一理论为独立调控提供了数学解释,但它是否真正存在于生命系统中、是否承担重要的生物学功能,仍需实验验证。

02在酵母细胞周期中检验数学预测

研究团队选择了酵母的细胞周期系统。细胞从一次分裂到下一次分裂,需要按顺序、在适当的时间经历G1、S、G2和M四个阶段。其中,G1–S和G2–M两个关键转换受到严格调控,分别需要不同蛋白质复合物的激活。

这两种复合物分别称为G1–S复合物(CDK–Cig2)和G2–M复合物(CDK–Cdc13)。它们在不同阶段发挥作用,却共享同一种蛋白质CDK,并通过多种反应相互连接。因此,这一系统为研究相互连接的网络如何调控不同功能,提供了合适的对象。

对已知细胞周期网络的结构进行分析后,研究人员发现,两种复合物分别位于不同的缓冲结构中。这意味着,从原有网络结构来看,两种复合物的含量应当能够分别受到独立调控(图2)。


图2 原有细胞周期网络的结构分析。G1–S和G2–M复合物分别位于不同的缓冲结构中,由此预测其可独立调控。图中展示的是原有网络的理论预测,后续实验对这一预测进行了检验。

为检验这一预测,研究团队利用荧光相关光谱(fluorescence correlation spectroscopy,FCS)和荧光相互相关光谱(fluorescence cross-correlation spectroscopy,FCCS),定量测量野生型及突变酵母中两种复合物的含量。FCS通过分析荧光强度的波动测量分子浓度;FCCS则分析两种不同颜色标记的分子是否共同运动,从而定量测量它们形成的复合物。

实验发现,改变G2–M复合物的含量时,G1–S复合物的含量没有明显变化,符合缓冲结构的理论预测。但反过来,改变G1–S复合物的含量却会影响G2–M复合物,与原有网络的预测不符。

03从预测与实验的差异中寻找缺失反应

这一差异为研究团队提供了新的线索。结构敏感性分析依据网络结构作出预测,无需指定具体的反应速率函数或参数数值。因此,在理论适用条件成立的前提下,预测与实验不符,提示原有网络可能遗漏了某些反应或调控关系。

研究团队于是针对原有网络中缺少降解反应的不同组分,分别尝试加入降解反应,并比较了13种修正方案。在这些方案中,只有补充游离Cdc13的降解反应,才能同时解释前述两个实验结果。游离Cdc13是指未与CDK结合的Cdc13;原有网络只考虑了Cdc13与CDK结合后经后期促进复合物(anaphase-promoting complex/cyclosome,APC/C)降解的途径,没有包含游离Cdc13的降解。

为检验这一预测,研究人员用环己酰亚胺(cycloheximide,CHX)阻断新蛋白合成,并通过荧光成像追踪Cdc13含量的变化。结果显示,Cdc13在G2期仍会降解;抑制APC/C后,其降解速率也未明显降低。这些结果支持Cdc13存在一条不依赖APC/C的降解途径,为理论预测提供了实验证据。

04寻找更多调控模块及其进化意义

细胞还具有许多其他功能,它们如何分别受到调控,尚未得到充分理解。研究团队认为,庞大的细胞反应网络中可能还存在其他缓冲结构,使不同生物学功能能够独立调控。寻找这些结构并阐明其功能,是下一步研究的目标之一。理解细胞调控机制,也有望帮助研究者合理选择能够高效生产有用物质的细胞,促进育种与药物研发。

研究团队还提出,缓冲结构可能具有进化意义。一个子网络一旦满足形成缓冲结构的条件,即使这一结构偶然出现,也可以获得调控模块的功能。如果这种独立调控有利于生物适应环境,相关结构便可能在进化中被保留。研究者推测,这一过程的反复发生,可能促进了反应网络复杂性的形成。

此外,结构敏感性分析并不限于细胞内的反应系统,也可用于分析由状态转换产生动态变化的其他系统。研究团队希望将这一方法推广至更多生物与非生物系统,利用网络信息理解它们的动态行为。

https://doi.org/10.1073/pnas.2537815123

制版人: 十一

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