层级细胞命运决定中顺序分支的模型

多能干细胞或祖细胞经历一系列顺序的二元命运决定，最终产生分化细胞的多样性。理解细胞命运控制的努力集中在简单的基因调控回路上，这些回路预测了多个稳定态、分岔和开关样转变的存在。然而，现有的基因网络模型不能解释细胞命运动力学的更复杂特性，例如发育路径的层级分支。在这里，我们构建了一个控制细胞命运决定的基因调控网络的通用最小模型，该模型展示了细胞分化的五个基本特征：稳定性、方向性、分支性、排他性和混杂表达。我们认为，包含重复网络元件的模块化架构通过顺序抑制选定的模块，从而将动力学限制在高维状态空间的低维子空间，再现了这些分化特征。我们使用常微分方程实现我们的模型，以探索分岔在产生分化单向性中的作用，并使用随机微分方程来演示噪声对系统的影响。我们进一步认为，由于底层动力系统的一般特征，二元细胞命运决定在细胞分化中普遍存在。这个最小模型对定向、离散和多样化的细胞表型发展的结构基础做出了可检验的预测，因此可以指导控制分化的真实基因调控网络的评估。