课题基金基金详情
能量调控在细胞表型异质化中的主导作用
结题报告
批准号:
31470180
项目类别:
面上项目
资助金额:
88.0 万元
负责人:
康禹
学科分类:
C0103.微生物组学与代谢
结题年份:
2018
批准年份:
2014
项目状态:
已结题
项目参与者:
林强、李欣刚、王丽、冯诚、宋利璞、宋来、邢志凯
国基评审专家1V1指导 中标率高出同行96.8%
结合最新热点,提供专业选题建议
深度指导申报书撰写,确保创新可行
指导项目中标800+,快速提高中标率
客服二维码
微信扫码咨询
中文摘要
单克隆细胞的表型异质化是指基因型相同的细胞在同一环境下出现表型差异的现象。这是一种普遍存在的生物学现象,在细胞之间实现社会分工以应对各种环境压力及其变化。目前,人们还不清楚表型异质化过程中,单个细胞能否同时呈现多种表型,即表型之间是否相互制约。本研究根据前期实验结果提出:每个细胞的各项生命活动存在能耗上的总量控制,是制约表型发展的主要因素,而且各种表型的能量分配受到生长速度的调控。本课题以大肠杆菌为模型,首先通过定量生理学和数学模型,理论推导出细胞能量的流入、消耗及分配的定量关系,尤其是与生长速度之间的函数关系;然后通过微流控细胞芯片、流式细胞等检测技术,定量测量单细胞的各项生命活动参数,验证上述理论;同时测定与能量和生长调控有关的关键物质浓度以及各种表型细胞的转录组,找到能量分配的关键分子机制。本研究将丰富生物适应环境机制的理论,并在应用领域为微生物防控提供理论指导和药物设计靶点。
英文摘要
Phenotypic heterogeneity or plasticity of clonal cells - phenotype variation among isogenic cells-is a universal phenomenon among various life forms. It is an important population-centric strategy critical for cells to adapt harsh and changing environments. Current understanding is based on characterization of different phenotypes of a clonal population so that single-cell level study is of importance in the identification of genes and biochemicals involving in promoting phenotypic heterogeneity. Based on our previous results, we propose that an energy-governing stringent control exists within single cells and its fast drainage and controlled release of the active energy currency are the early process of phenotypic heterogeneity. Moreover, such control exhibits as growth rate variation that is measurable at both population and single cell levels. Based on quantitative physiology, we will first define all related pathways and develop mathematical models to simulate the process of total energy consumption and allocation for major cellular activities, as well as their quantitative correlations to growth rate. We will define various phenotypes using flow-cytometry, Raman spectrum-based cell sorting instruments, and cell-on-chip devices. We will also examine the concentration of various critical biochemical substances related to energy and growth control, as well as transcriptomes of the phenotypes and try to plot out mechanisms of energy control and allocation. Our work not only will greatly advance our understanding of bacterial adaption to the environment, but also will provide guidance practical for microbial control and potential targets for drug design.
单克隆细胞的表型异质化是指基因型相同的细胞在同一环境下出现表型差异的现象。这是一种普遍存在的生物学现象,在细胞之间实现社会分工以应对各种环境压力及其变化。本研究根据前期实验结果提出:每个细胞的各项生命活动存在能耗上的总量控制,是制约表型发展的主要因素,而且各种表型的能量分配受到生长速度的调控。本课题以大肠杆菌为模型,首先开发并验证了大肠杆菌中枢代谢的详细动力学模型,该模型同时纳入环境变量、细菌生长等总体变量,将生长与环境联系起来。通过模拟实验证实,代谢控制在整个网络中广泛分布,各代谢途径之间的存在广泛而且强烈的关联关系。对模型解空间的探索表明,从分子水平(例如总代谢物库的稳态)到整体细胞生理学(例如碳吸收,分解代谢,能量和氧化还原产生以及生长的协调),单纯依赖代谢流量在不同通路之间的自发调节,就可以使细胞快速、灵活的应对环境变化,优化整体代谢网络性能,并且不受个别酶的表达量和活性波动的影响,具有相当的灵活性。以往的观点认为:由于代谢反应是由酶催化完成的,酶由基因编码。因此,基因及其调节通常被认为处于整个代谢控制系统的顶端。然而,我们的研究证据表明,代谢通过代谢物 - 酶相互作用的密集网络自发的代谢调控是细胞在生理条件下应对环境变化的主要机制,没有一种酶或者代谢物能够完全控制能量在不同代谢方向上的分配。但是在非生理条件下,例如大量抗生素压力下的持留菌生成的比例受到RelA基因表达和预警分子(p)ppGpp合成的调控。我们的研究模型经过了从243个实验中获得的728个独立的代谢通量数据进行了验证,更正了对于大肠杆菌在生理条件下的代谢特性调控和能量分配的认识。由于代谢控制的核心代谢通路——TCA在三界生物体内普遍存在,因此,本研究发现的规律有可能在生物界具有普遍意义。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
DOI:10.1016/j.gpb.2018.03.009
发表时间:2019-12
期刊:Genomics, Proteomics & Bioinformatics
影响因子:--
作者:Xing Shi;Zhancheng Gao;Qiang Lin;Liping Zhao;Q. Ma;Yu Kang;Jun Yu
通讯作者:Xing Shi;Zhancheng Gao;Qiang Lin;Liping Zhao;Q. Ma;Yu Kang;Jun Yu
The bacterial RNA ligase RtcB accelerates the repair process of fragmented rRNA upon releasing the antibiotic stress
细菌 RNA 连接酶 RtcB 在释放抗生素应激后加速片段化 rRNA 的修复过程
DOI:10.1007/s11427-018-9405-y
发表时间:2020-02-01
期刊:SCIENCE CHINA-LIFE SCIENCES
影响因子:9.1
作者:Manwar, Muhammad Ramzan;Shao, Changjun;Yu, Jun
通讯作者:Yu, Jun
GAAP: Genome-organization-framework-Assisted Assembly Pipeline for prokaryotic genomes.
GAAP:原核基因组的基因组组织框架辅助组装管道。
DOI:10.1186/s12864-016-3267-0
发表时间:2017-01-25
期刊:BMC genomics
影响因子:4.4
作者:Yuan L;Yu Y;Zhu Y;Li Y;Li C;Li R;Ma Q;Siu GK;Yu J;Jiang T;Xiao J;Kang Y
通讯作者:Kang Y
mRNA药物5’UTR区海量随机序列文库的高通量筛选技术
局部氧化压力在呼吸道条件感染过程中的重要作用
国内基金
海外基金