前沿进展：ATP与水解自由能对细胞内双稳态开关的调控机制

前沿进展：ATP与水解自由能对细胞内双稳态开关的调控机制

活细胞是远离热力学平衡态的开放系统，需要不断地与外部环境交换物质、信息和能量，来维持生命活动的有序性。细胞调控网络产生的多种动力学行为，在细胞增殖、分化和代谢等生物过程中发挥着重要作用，实现不同生物功能。同时，活细胞需要维持在热力学非平衡态，通过不断耗散能量（例如ATP水解自由能Δμ）来驱动生物过程和生物功能。前人研究已经揭示了实现不同生物功能所需的基本网络，也发现了ATP水解自由能Δμ对特定生物功能和动力学行为的影响。然而，在具体的细胞调控网络和生命活动中，不同网络结构是如何影响Δμ对生物功能（动力学行为）的调控作用？

2024年7月11日，北京大学物理学院/定量生物学中心欧阳颀/李方廷团队在美国物理学会（APS）旗下期刊Physical Review Research发表了题为“Interplay between ATP and hydrolysis free energy in promoting and restraining biochemical switches”的研究论文，揭示了细胞内双稳态开关中，调控网络结构对细胞内ATP水平和Δμ调控双稳态性质的影响。

细胞内双稳态开关具有迟滞响应的特性，即从低态向高态跳转和从高态向低态跳转的触发阈值不同。因此，利用双稳态行为构建的开关（双稳态开关）具备超敏响应特性和抗噪能力，在信号传导和细胞周期调控中发挥着关键作用。在酵母细胞周期中，调控网络通过关键蛋白的磷酸化-去磷酸化循环（Phosphorylation-dephosphorylation cycle，PdP cycle），结合正反馈调控，构成了多个双稳态开关。这些双稳态开关的功能依赖于PdP循环的驱动力—ATP水解自由能Δμ。Δμ的定义为Δμ = kBT ln{Keq[ATP]/([ADP][Pi])}，其中Keq是ATP水解反应的平衡常数，[ATP]、[ADP]和[Pi]分别代表ATP、ADP和Pi在细胞中的浓度。

课题组前期研究表明，对于细胞周期中两个重要过程的双稳态开关，细胞内ATP浓度（[ATP]）和Δμ的作用机制不同。在芽殖酵母细胞周期的DNA复制检查点中，存在由单个PdP循环构成、包含正反馈的的双稳态开关。当系统处于双稳态区域且在低稳态状态下，增加Δμ会降低系统从低态往高态跳转的[ATP]阈值（双稳区右边界斜率为负）。这说明Δμ降低了打开开关所需的[ATP]阈值，表明Δμ和[ATP]协同调控开关的打开；同样，因为双稳区左边界也为负斜率，Δμ和[ATP]也协同调控双稳态开关关闭过程。而在裂殖酵母细胞周期的G2-M转换过程中，调控网络通过多个PdP循环和正反馈调控，构建了双稳态开关。不同于DNA复制检查点的双稳态开关，[ATP]和Δμ在G2-M转换过程的双稳态开关中存在竞争效应（双稳区右边界斜率为正），即当Δμ提高时，[ATP]激活G2-M转换的阈值也升高了。

基于此，研究者针对以下3个问题开展研究：（1）[ATP]和Δμ在不同双稳态开关中的作用是什么？（2）决定了Δμ作用的关键因素是什么？（3）Δμ对于双稳态性质是否存在更复杂的调控作用？

为了回答以上问题，基于包含正反馈的单PdP循环网络，以及包含正反馈的双PdP循环网络，该研究构建动力学模型并使用[ATP]-Δμ相图来研究网络结构如何影响双稳态开关中的[ATP]和Δμ的调控机制。

（1）对于单PdP循环网络，该研究通过理论分析和数值模拟表明，在Δμ > 0时，无论网络结构如何变化，双稳区边界的斜率始终为负值，说明动力学参数[ATP]和热力学参数Δμ共同打开/关闭单PdP循环的双稳态开关，协同调控单稳态-双稳态跳转过程。

（2）对于双PdP循环网络，该研究通过解析计算和模拟证明了对于“同向”网络（网络中所有磷酸化都促进最终产物生成），双稳区边界的斜率都是负数，Δμ与[ATP]和总是协同调控双稳态性质。而对于“反向”网络（网络中至少有一个磷酸化反应使得目标分子减少），双稳区边界斜率有各种选择。尽管“反向”网络中磷酸化能量Δμ只部分用于促进目标产物生成（能量利用率低于“同向”网络），但是研究也发现“反向”网络中Δμ与[ATP]的竞争效应是有利于提高双稳态的鲁棒性。

该研究还发现在双PdP循环网络中可能存在三稳态行为，且可能存在Δμ对双稳态的复杂调控。首先，Δμ对系统稳态数目的调控，产生了有趣的[ATP]- Δμ相图，即三稳态区域嵌套在双稳态区域内。分析表明基于目标分子Sp去磷酸化的负反馈调控是双PdP循环网络中三稳态产生的潜在机制。同时，该研究还发现了Δμ对双稳态性质的非一致调控。通常而言，Δμ的增加总是有利于双稳态鲁棒性提高。然而，在某些情况下，只有在特定Δμ水平下，系统才能维持双稳态的存在，即在[ATP]- Δμ相图中存在一个岛屿状的双稳态区域；当Δμ从生理水平开始增加时，双稳态却消失了。

综上所述，该研究关注细胞内ATP水平和细胞内ATP水解自由能对细胞内基因调控网络双稳态性质的调控作用，揭示了在同向网络中，无论反馈机制如何，[ATP]和Δμ都以协同的方式来调控单-双稳态的跳转；在反向网络中，存在[ATP]和Δμ对双稳态性质的竞争调控，这种竞争效应可以增强双稳态的鲁棒性；本研究还讨论了具有三稳态特性和Δμ非单调调控效应的特殊网络结构。在论文审稿过程中，审稿人对该研究的结果提出较高评价。

北京大学物理学院李典杰为论文第一作者，北京大学物理学院/定量生物学中心李方廷副教授为通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等机构的支持。