果蝇胚胎早期发育转录调控网络鲁棒性的分子机制研究

The development pattern is highly accurate and reproducible, yet the development system is facing the intrinsic gene expression noise and external environmental fluctuations, it is intriguing how the gene regulation network maintains the robustness of development. Our previous studies demonstrated that a dynamical integration of multiple inputs contributes to the robustness of the early embryogenesis against the variation of the dosage of the maternal morphogen Bicoid. Here, by combining quantitative imaging and mathematical modeling, we propose to investigate the response of the developmental pattern upon the systematical manipulation of the gene expression noise, the structure of the gene network, and the temperature. We will test and establish mathematical models revealing the underlying molecular mechanism of the robustness of the gene network regulating Drosophila embryogenesis, in particular, the origin, transduction and filtering of the gene expression noise, the integration of multiple inputs and the compensation for temperature. This study will help to expand the model systems for systems biology from the traditional single cell systems to more complex multi-cellular organism model systems such as Dorsophila embryos. It will also deepen understanding the basic design principle for the robust gene regulation network, reveal the mechanisms for the highly accurate and robust cell fate determination, and facilitate developing safe and reliable cell program and reprogram for tissue engineering and regenerative medicine.

发育斑图具有高度的精确性和可重复性，但是基因表达有不可克服的噪声，外界环境也存在扰动，那么发育的调控网络如何解决这一矛盾而实现鲁棒性? 这是系统生物学研究的一个热点问题。我们过去的研究发现果蝇胚胎发育通过动态整合多路输入信号而对母体成形素的浓度扰动具有一定鲁棒性。本项目拟结合单细胞定量生物成像测量和数理建模，通过系统地调整胚胎发育的基因表达噪声、网络结构以及温度来定量测量发育斑图的响应，检验和建立果蝇胚胎发育调控网络鲁棒性的分子机制的模型，阐明该系统中基因表达噪声的起源、传递和过滤、信号整合以及温度补偿机制。这将进一步推动系统生物学的研究从单细胞体系扩展到复杂的多细胞胚胎发育体系，促进对基因调控网络实现鲁棒性的设计原理的理解，其所揭示的发育过程中具有高度准确性和鲁棒性的细胞命运决定机制也将有助于实现安全可靠的细胞编程和再编程从而推动组织工程和可再生医学。

果蝇早期胚胎已经成为定量系统生物学的前沿多细胞模式体系，该体系研究存在一个长期未解的关键问题： 多细胞的发育体系如何克服基因表达噪声和外界环境扰动实现具有鲁棒性的高度可重复性的精确发育斑图。本项目组以果蝇早期胚胎为研究对象，对其上述研究焦点问题开展了一系列创新研究。首先发展了一系列定量测量果蝇胚胎发育斑图的实验方法，实现了对发育斑图的三维动态测量和自动图像处理，开发了活体定量成像和快速调温的胚胎发育微流控芯片，这些新测量技术突破了制约多细胞系统定量生物学研究的瓶颈，为果蝇胚胎研究提供了更多工具。其次， 我们利用CRISPR技术构建了纯净的stau-突变体等新果蝇品系，测量关键节段基因网络动态三维基因表达图景。发现stau-突变体Hunchback (Hb)边界在14周期有高达10%EL（胚胎长度）以上的动态迁移，而它在5分钟时间窗口内的噪声和野生型相当。同时发现stau-突变体Hb上游Bcd、平级相互作用的Kruppel，下游Even-skipped 和头沟的位置误差也和野生型基本一致。虽然以往研究普遍认为stau是实现噪声过滤的关键，我们的结果揭示stau不是噪声过滤器，而是Hb等斑图动态迁移动的减幅器。我们同时定量证明经典的阈值激活模型和自组织过滤模型在胚胎早期发育中相继发生协同工作，而非传统研究普遍认为它们非此即彼无法共存。我们测量了果蝇胚胎在微流控芯片中不同温度下Bcd的梯度。 发现Bcd梯度的特征长度在25°C左右达到极大值，暗示Bcd的降解可能不遵循Arrhenius的温度依赖性。测量了Bcd梯度在温度秒级跳变下的响应，发现该响应在果蝇胚胎发育14周期前比较显著，后期逐步消失。这些结果和经典SDD模型预言有矛盾。 基于实验的参数动态变化SDD改进模型可以圆满地解释新的观测实验现象。这些工作成果将极大促进对发育调控的基因网络鲁棒性的机制认识，同时将有助于实现安全可靠的细胞编程和再编程从而极大推动组织再生工程。..项目组在eLife，Nature Communications ，PLoS Computional Biology, Biophysical Journal等杂志发表7篇论文。培养博士生6名（1人已获博士学位）、硕士生2名（1人已获硕士学位）、 以及本科生3名。