Stochastic Gene Expression in a Lentiviral Positive-Feedback Loop: HIV-1 Tat Fluctuations Drive Phenotypic Diversity

Cell. 2005 Jul 29;122(2):169-82

鄭伯忻

一般認為phenotype上的不同通常是因為DNA層面的不同，甚至是生長的環境或是歷史不同，才會造成兩個個體的phenotype的不同。但目前有越來越多的證據顯示，即使是兩個個體具有相同的DNA，他們的phenotype還是一樣不相同。一部份的科學家認為這是因為epigenetic的問題，另一部份的人認為這是因為在細胞中的所有化學反應命中注定的隨機反應所造成的，而這就稱為stochastic gene expression，或稱noise。

當HIV感染後，Tat首先被表現，並與宿主細胞的分子結合，進入細胞核後再被acetylation，就可再讓HIV基因大量表現。如此便形成一positive feedback loop。Tat的基礎表現量很低，而此Tat的stochastic gene expression的現象便很大，再加上positive feedback loop的放大，或許就可以決定HIV感染細胞後進行latent infection或是productive infection。為了要證實這假設，作者建構了一病毒質體，包含LTR-GFP-IRES-Tat（簡稱LGIT），另外也建構了對照質體，包含LTR-GFP（簡稱LG）。利用LGIT感染細胞後發現，GFP的表現量並不穩定，尤其是在低GFP表現區域的細胞，在長時間培養後，有機會變成高螢光表現及無螢光表現的細胞。將這群細胞分出培養後，發現僅有特定的一群細胞會同時出現高螢光及無螢光的phenotype，作者稱這種現象為phenotypic bifurcation(PheB)。這現象代表在低Tat表現下，細胞的phenotype就會不穩定。而這群會表現PheB的細胞在DNA層面完全相同，且PheB的現象也不是透過epigenetic modification，也不是由extrinsic noise所造成的。

為了要瞭解到底是透過怎樣的機制才會形成PheB，作者利用電腦模擬PheB的產生。模擬的結果發現，只需要考慮存在HIV將基因體插入宿主到宿主基因體之前所表現出的Tat，以及插入的位置會讓Tat保持在低量表現的狀況之下，另外也需要考慮acetylation以及deacetylation；只需要考慮這三種變數，就可以讓細胞產生PheB的phenotype。這代表了產生細胞phenotype不穩定的現象，只需要存在這三種狀態，就會讓被病毒感染的細胞，有機會變成latent infection（即低量Tat表現），或是productive infection（即高量Tat表現）。所以事實上，在真正在感染的狀態之下，會變成對人類威脅最大的這群細胞就是這些低Tat表現的細胞，因為這群細胞有能力可以從latent infection再變成productive infection，而這決定因素，就是在Tat fluctuation上。

Fig 1. Tat 的fluctuation會決定被HIV感染的細胞的命運