细菌细胞可以“记住”其身体和周围环境的短暂、瞬时变化

美国西北大学和德克萨斯大学西南分校的一项新研究发现，细菌会记住自身（基因的扰动）或周围环境的瞬时变化并遗传给后代，即使这些变化因素并非是由基因编码决定的。这一研究解释了原核系统中由环境引起的开关引起的表观遗传机制，并阐述了通过基因调控对耐药性致病菌后代的抗生素敏感性恢复提供了可能性。

在文献《Irreversibility in bacterial regulatory networks》中，研究者们探讨了不可逆性在细菌调控网络中的表现。研究者们以大肠杆菌的重构调控网络为研究对象，检验了网络对瞬时单基因扰动的响应（图1）。他们预测了许多情况下的不可逆性，并发现被扰动基因与网络中的正向回路接近度越高，不可逆性的发生率就越高。与实验数据的比较表明，预测的对瞬时扰动的不可逆性与对永久扰动的进化响应之间存在联系。

图1 大肠杆菌中phoB基因的调控网络中的不可逆扰动概率图节点颜色表示在M次规则（实现中的平均不可逆概率，边缘表示调控相互作用。阴影背景表示多节点SCCs，它们都至少有一个正向回路。总共有51个基因接受不可逆扰动。在实现中的平均不可逆概率与真实值相差0.1以内）

研究者们使用布尔动力学建模方法，检查了瞬时单基因扰动对其他基因活性的影响。他们预测，在调控网络的中心部分，单个基因的瞬时敲除（KOs）和瞬时过表达（OEs）通常会在网络中其他基因的状态上产生不可逆的变化。研究结果识别出正向回路（具有偶数个抑制性相互作用的网络循环）是支持不可逆性所必需的多稳定性的相关网络结构。从机制上讲，瞬时扰动可能导致永久性变化，当它（直接或间接地）改变一个或多个多稳态正向回路的状态时，这种情况更有可能发生。这种条件更频繁地满足于被扰动基因更接近下游正向回路的情况，因此基因的不可逆性随着它与（或成员身份在）网络的非平凡强连通分量（SCC）的接近度而增加（图2）。

图2 phoB origon核心网络中所有节点的不可逆性概率是作为到带有正向回路的强连通分量(SCCs+)的加权路径数量的函数。(A和B)分别为分散和集中控制情景(即升序和降序输入排序)的结果。在每种情况下，最佳拟合趋势由虚线表示，并标有决定系数(R2)。颜色编码与图1相同。

通过对适应性进化实验的现有数据进行比较，研究者的预测支持了以下假设：在对（永久）基因KO的适应性进化后，基因保持在不同状态主要是由那些对同一基因的瞬时KO响应不可逆的基因决定的。这些结果指出了观察不可逆性的特定候选基因，并表明尽管原核生物的转录到翻译耦合紧密，并且这种生物中表观遗传机制的作用尚未完全解决，但不可逆性在原核生物中存在。

图3. 根据上面面板所示的输入排序和扰动类型，对不可逆扰动的平均概率进行平均。（A）根据r和s的不同，为最有可能发生不可逆扰动概率最高的前25个基因提供彩色编码的不可逆性概率函数。（B）与(A)相同，针对剩余的26个接受不可逆扰动的基因。

这项研究揭示了原核生物细胞即使在遗传上完全相同的情况下，也能表现出不同表型的机制。研究排除了细胞外因素和染色质修饰，强调了纯粹调控机制促成可遗传的非遗传变化的能力，这些变化可以持续多个世代。这与真核生物中细胞命运承诺的现象形成了对比，后者通常被归因于环境因素或信号分子触发主调控因子的表达，从而协调激活和抑制下游基因以实现表型变化。在真核生物中，组蛋白修饰和DNA甲基化等表观遗传修饰在锁定细胞命运中发挥作用，但在原核生物中这些过程是缺失的，或者功能不同。

研究者们还提出了一些具体的预测，例如在对crp基因的KO响应中，哪些基因可能会表现出不可逆性。这些基因可以通过调整培养条件来确保它们最初是开启的，例如使用甘油（已知可以激活crp）以及通过添加锌、蜜二糖或鼠李糖等代谢物来分别激活zraR、melR和rhaRS基因。同时，研究者们还提出了一种可能的方法来实现瞬时KO，即诱导型CRISPR干扰。

图4. 将不可逆性结果与适应性进化中观察到的转录变化进行比较。（A）phoB基因核心网络的表示，其中以黑色代表从crp到每个节点的最短路径。节点轮廓颜色表示crp调控的符号，节点颜色表示距离crp的距离，其中不可逆响应节点为绿色。阴影背景、自调节边和网络布局与图1相同。（B）精确度-召回曲线评估布尔网络模型预测的每个基因表达变化符号与适应性进化后在批量（蓝色）和恒化器（橙色）条件下观察到的变化符号之间的一致性。基因根据它们表达变化的大小从大到小排名。虚线表示用于计算每种条件下的平均P值的0.5的对数倍数变化阈值（在图例中标出）。在批量和恒化器条件下高于此阈值的基因分别列在表S2和S3中。n.R.，未调节；n.i.，不可逆。

总的来说，这项研究不仅增进了我们对细菌调控网络中不可逆性的理解，而且为未来可能的实验研究提供了新的方向，这些研究可以利用描述转录、翻译和降解过程的随机多体物理方法来解释。

参考文献：Yi Zhao et al., Irreversibility in bacterial regulatory networks. Sci. Adv.10, eado3232(2024). DOI :10.1126/sciadv. Ado 3232