基因表达谱中两种截然不同的网络控制逻辑类型

在细菌等单细胞生物中，同一获得性突变在一种环境中可能有益，而在另一种环境中却具限制性。然而，进化的大肠杆菌（Escherichia coli）种群在适应过程中表现出显著的灵活性。维持这种遗传灵活性的机制尚不清楚。在大肠杆菌中，基因表达的转录调控既涉及以高亲和力结合特定位点的专用调控因子，也涉及全局调控因子——即细菌类染色体中丰富的 DNA 架构蛋白，它们结合多个低亲和力位点，从而调节 DNA 的超螺旋密度。第一种转录调控形式主要是成对且特异的，代表数字控制；而第二种形式（在强度和分布上）是连续的，代表模拟控制。在此，我们研究了在两种控制形式变化下，由显著基因表达变化导出的有效网络的性质，发现当一种控制类型受限（例如由全局 DNA 架构因子突变引起）时，另一种类型可以补偿受损的调控。全局调控因子的突变显著增强了数字控制；在全局 DNA 架构蛋白存在的情况下，调控主要为模拟类型，耦合空间上相邻的基因组位点；综合我们的数据表明，两种逻辑上截然不同的控制类型相互平衡。通过揭示两种截然不同的控制逻辑类型，我们的方法为转录调控的组织原则和缓冲遗传灵活性的机制提供了基本见解。我们预计，区分控制逻辑类型这一普遍概念将适用于许多复杂的生物网络。