利用光控锚定系统对CDK扰动下细胞周期事件顺序的定量研究

Cell division is essential to all life forms. To ensure the duplication and division of cellular components during the cell reproduction with extreme precision and reliability, precise order of different cell cycle events is critical. The order of cell cycle events is thought to be controlled by both CDK specificity and the interaction/dependence between different events. Unfortunately, though it has been extensively studied over decades, due to the lack of powerful tool to perturb CDK activity in fast and subcellular fashion, it is still unclear which part of the cell cycle is purely CDK activity driven, and which parts are not. We recently developed a light-gated anchoring (photo-anchoring) tool. It can control molecules in both space and time at the same time in a rapid, reversible, and titratable fashion, thus becomes ideal to address this question.. In this project, we will address the question systematically by applying the light system to control the localization of M-CDK and, at the same time, measuring the timing of 12 important cell cycle events in single cells under 21 different CDK perturbations. We believe the quantitative answer to this question will not only have profoundly impact on our knowledge about cell cycle control, but also will shed light on complex cancer data Interpretation.

细胞分裂是一切生命赖以生存和繁殖的最基本的生命过程。细胞分裂的一个根本性问题是细胞周期事件的顺序决定。真核细胞周期事件的顺序被认为由CDK的磷酸化和事件之间存在的内在条件关系两种机制共同决定。但由于缺乏可在亚细胞水平对CDK进行精确扰动的工具，目前对不同细胞周期事件的顺序分别多大程度的依赖于两种机制还缺乏系统性的了解。本项目将利用申请人最近开发的光控锚定系统，通过对酵母细胞M-CDK活性在亚细胞水平进行精确扰动来研究细胞周期事件的顺序对于CDK活性的依赖性。同时将通过系统性的单细胞定量测量, 实现在10余种CDK扰动下对细胞周期10余个主要事件的发生时间、噪音水平、对CDK稳定性、以及事件之间的相关性等的定量系统性描述。本项目得到的系统性定量结果不仅将大大加深我们对于细胞周期控制的理解，也必将为我们更好的理解复杂的肿瘤发生数据带来启示。

细胞周期调控的一个根本性问题是细胞周期事件的顺序决定。真核细胞周期事件的顺序被认为由CDK的磷酸化和事件之间存在的内在条件关系两种机制共同决定。但由于缺乏可在亚细胞水平对CDK进行精确扰动的工具，目前对不同细胞周期事件的顺序分别多大程度的依赖于两种机制还缺乏系统性的了解。本课题利用之前开发的光控锚定系统，通过对酵母细胞M-CDK活性在亚细胞水平进行精确扰动（205种条件），同时在单细胞水平对细胞周期12个主要事件进行实时观测，首次对细胞周期不同事件的顺序分别多大程度的依赖于CDK或其他事件给出了系统性定量回答。通过对海量实验数据的定量分析，首先我们获取了事件发生的时间间隔的噪声水平，发现它们之间具有很强的稳定型；其次，发现这些事件的发生顺序基本可以逆转，这意味着细胞周期事件的发生顺序主要由CDK控制。进一步分析数据发现，事件之间存在广泛的相互作用，并且这种相互作用的关系会使得事件发生的时间间隔之间普遍的存在补偿效应，它会让细胞周期更加稳定，噪声水平更低。最后，课题还首次发现细胞周期中两个重要的检验点：纺锤体位置检验点(spindle position checkpoint)和剪切检验点(abscission checkpoint)，也可以通过CDK的扰动而绕过。同时，课题还系统定量的研究了不同因素对于蛋白在代纪遗传的影响以及蛋白丰度对细胞分裂行为的影响，以及不同条件下CDK在控制细胞进入分裂的贡献。课题进行的过程中还开发了一个用于酵母定量滴蛋白表达方法和一个基于深度学习的细胞分割方法。本课题工作不仅大大加深了我们对于细胞周期控制的理解，同时也为我们更好的理解复杂的肿瘤发生数据带来启示。

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