细胞生活在不断变化的复杂环境中。通过信号转导通路，细胞传递外部信号和刺激到细胞内部的调控网络，产生反应和应激。对于噪声在信号转导过程中的作用和对细胞状态的影响，人们还缺乏直接的实验证据和定量的研究。
为了研究噪声在细胞信号转导通路中的作用，北京大学物理学院、前沿交叉学科研究院定量生物学中心李方廷、欧阳颀团队和数学科学学院李铁军课题组以及中国农业大学楼慧强课题组合作，选择芽殖酵母DNA复制期（S期）检查点通路的激活过程作为研究对象，提供了噪声驱动细胞不同状态转换的直接证据，揭示了噪声在细胞信号转导通路中的动力学机理。该工作于2021年1月7日在线发表于学术期刊《物理评论X》（Physical Review X），文章题目为“Stochasticity Triggers Activation of the S-phase Checkpoint Pathway in Budding Yeast”。
在该工作中，作者通过在不同外界刺激强度下，分析不同突变菌株中单个细胞内荧光蛋白表达的时序数据，发现了以下重要结果：在某一时刻，细胞群体存在着S期检查点的未激活off态和激活on态，表现为双峰分布；在刺激过程中，单个细胞存在着从off态到on态的跳转，细胞群体在off态的跳转等待时间呈指数分布，由此可以推算出两态之间的跳转速率；对于不同突变菌株和不同的刺激强度，细胞表现出了不同的跳转速率。 进一步，作者通过简化的随机动力学模型，揭示该激活过程是噪声驱动的双势阱之间的“barrier-crossing”过程，单个细胞的状态由噪声驱动从off态跳转到on态，其中刺激信号强度和通路中的正反馈共同决定了双势阱之间的势垒高度和跳转过程的速率。
北京大学物理学院、前沿交叉学科研究院定量生物学中心李方廷、数学科学学院李铁军和中国农业大学楼慧强为共同通讯作者。北京大学数学科学学院周沛劼、物理学院高鑫和中国农业大学李晓丽为共同第一作者。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京智源人工智能研究院等机构的支持。
文章链接：https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.11.011004
图1 噪声驱动的双势阱模型以及细胞从OFF态向ON态的跳转过程
