噬菌体λ遗传开关的概率与流景观

噬菌体λ对大肠杆菌细胞的感染已成为理解基因表达和细胞信号传导中分子过程的典范。该系统提供了一个遗传开关的实例，因为具有相同DNA的细胞会选择两种细胞周期之一：溶原周期（噬菌体基因组整合到宿主中并由宿主复制）或裂解周期（导致细胞死亡和病毒爆发）。该开关的稳健性非常显著；尽管溶原周期和裂解周期的初始阶段相同，但溶原菌很少自发翻转，需要外部应激或瞬时细胞条件来诱导翻转。特别是，细胞命运决定可能依赖于两种蛋白质cI和Cro的数量，以及它们的寡聚化及其随后与三个DNA位点的结合亲和力。这些过程反过来控制RNA聚合酶转录cI和Cro基因以产生更多各自蛋白质的速率。在本工作中，重新审视并推广了一个非平衡统计力学的动力学模型。低蛋白质数量和其他噪声源不可忽略，对动力学的修正对于理解稳定性至关重要。为此，发展了对流扩散方程的通用积分形式，并针对多种突变体和关于细胞状态的假设进行了数值求解。这些解量化了系综在浓度空间中演化的概率与流景观，并用于预测野生型和突变型细菌的细胞状态数量、熵产生、通过时间和势垒，从而揭示了自然选择所依据的构型空间的一些结构。