丝状蓝藻中固氮细胞图案的形成与维持

形成一维丝状体的蓝藻是单细胞与多细胞生命形式之间过渡的典范模式生物。在氮限制条件下，鱼腥藻属（Anabaena）的丝状体中，部分细胞分化为异形胞，这些细胞丧失了分裂能力，但能够为群体固定环境中的氮。这些异形胞在丝状体中形成准规则的图案，代表了原核生物中图案形成与形态发生的原型。近年来，在鉴定调控该图案的分子机制方面取得了进展。我们利用这些数据构建了一个关于异形胞图案形成的理论，其中基因调控以及细胞分裂和丝状体生长的影响均为关键组成部分。该理论基于三种通用机制的相互作用：局部自激活、早期长程抑制和晚期长程抑制。这些机制可分别与 hetR、patS 和 hetN 的表达动力学相对应。我们的理论定量地再现了野生型和突变体中图案形成与维持的实验动力学。我们发现，仅凭 hetN 不足以扮演晚期抑制机制的角色：第二种机制，假设为由异形胞提供的固氮产物，也必须在晚期长程抑制中发挥作用。异形胞之间偶数间隔的优势自然地源于基因调控与细胞分裂时间尺度之间的相互作用。我们还发现，纯粹随机的图案起始过程，无需两阶段过程，就足以再现实验观察结果。