Эпигенетический ландшафт Waddington (1957)'s , по-видимому, наиболее известный и наиболее мощная метафора биологии развития, которая разъясняет, как клетки прогрессируют от недифференцированного состояния к одной из многочисленных дискретных, определенных, дифференцированных состояний клеточных судеб во время развития (see also Ferrell, 2012). Недавно в отличие от паттерна Waddington's, Ferrell (2012) выдвинул концепцию индукции клеточных судеб, которая обладает прирожденной необратимостью, которая отсутствует в картине Waddington's (Waddington, 1957, Zheng, Mei, Chen, Tao, 2018). Согласно концепции Ferrell (2012), концепция индукции клеточной судьбы означает, что клетка или группа клеток продуцируют индуктивные стимулы, которые заставляют др. клетку принимать новый фенотип. Ferrell (2012) подчеркивает, что приобретение клеточной судьбы имеет две ключевые особенности: (i) нет нужды в том, чтобы индуктивные стимулы поддерживались бесконечно; после некоторого момента детерминации стимулы могут быть удалены, а клетка будет продолжать индуцированную программу развития; и (ii) индукция приводит к переключению по типу всё или ничего между качественно отличающимися клеточными судьбами. Некоторые исследования показали, что концепция индукции клеточных судеб может оказаться разумной (Yamamoto, 1994, Smith, 1995, Ferrell Jr., Machleder, 1998, Ferrell Jr., 1999, Sternberg, 2005, Shi, Chen, Li, Zheng, Zhang, Qiao, Tang, Tao, Zhou, Duan, 2015, Chen, Shi, Tao, Zernicka-Goetz, 2018). Недавно исследование детерминации судеб стволовых клеток в зародышевой линии яичников Drosophila предоставило строгое экспериментальное доказательство, согласно которому существует петля обратной связи с бистабильной регуляцией, индуцируемой внешним BMP сигналом (Xia et al., 2012).

Чтобы четко показать, что в концепции индукции клеточной судьбы Ferrell (2012) использует простую модель с одной переменной с регуляцией с помощью позитивной обратной связи, чтобы охарактеризовать динамические свойства индукции клеточной судьбы. Фактически простая теоретическая модель была исследована многими авторами (Smolen, Baxter, Byrne, 1998, Xiong, Ferrell Jr., 2003, Liu, Jia, 2004, Smits, Kuipers, Veening, 2006, Bennett, Volfson, Tsimring, Hasty, 2007, Zheng, Yang, Tao, 2011, Ferrell Jr., 2012), но Ferrell в основном сконцентрировался на том, как индуктивные стимулы влияют на динамические характеристики системы. Базируясь на поверхностном потенциале, он предположил, что клетка детерминируется, чтобы приобрести судьбу, поскольку долина, соответствующая не индуцированной судьбе исчезает из-за бифуркации седлового узла (saddle-node), поэтому ландшафт saddle-node, приводящий к индукции клеточной судьбы, должен быть отличным от эпигенетического ландшафта Waddingtons (Waddington, 1957). С др. стороны, Ferrell (2012) также подчеркивает, что бифуркация типа вилки, базирующаяся на латеральном торможении должна быть одним из возможных важных механизмов, который может приводить к детерминации клеточной судьбы и использует простую теоретическую модель, чтобы описать динамические свойства бифуркации в виде вилки, базирующейся на латеральном ингибировании. Однако, он подчеркивает, что ключом бифуркации в виде вилки является то, что система симметрична и любое отклонение от симметрии будет менять бифуркацию в виде вилки в тангенциальную бифуркацию (saddle-node bifurcation) (Momiji, Monk, 2009, Ferrell Jr., 2012). Поэтому мы обратимся к saddle-node bifurcation.

Поскольку стохастические флюктуации внешней среды не могут быть исключены (May, 1973, Becskei, Serrano, 2000, Elowitz, Leibler, 2000, Gardner, Cantor, Collins, 2000, Hasty, Pradines, Dolnik, Collins, 2000, Hasty, McMillen, Collins, 2002, Ahmad, Henikoff, 2001, Elowitz, Levine, Siggia, Swain, 2002, Lande, Engen, Saether, 2003, Kaern, Elston, Blake, Collins, 2005, Raj, van Oudenaarden, 2008, Shi, Chen, Li, Zheng, Zhang, Qiao, Tang, Tao, Zhou, Duan, 2015, Chen, Shi, Tao, Zernicka-Goetz, 2018), то многие исследования изучали эффект внешнесредовых шумов на экспрессию и регуляцию генов (Becskei, Serrano, 2000, Elowitz, Leibler, 2000, Gardner, Cantor, Collins, 2000, Hasty, Pradines, Dolnik, Collins, 2000, Hasty, McMillen, Collins, 2002, Ahmad, Henikoff, 2001, Liu, Jia, 2004, Kaern, Elston, Blake, Collins, 2005, Xu, Tao, 2006, Raj, van Oudenaarden, 2008, Zheng, Yang, Tao, 2011). Напр., некоторые экспериментальные исследования базируются на сетях из одиночных генов с регуляцией с помощью позитивной обратной связи, демонстрируя, что скорость базового синтеза и скорость деградации не только зависят от биохимических реакций, мутаций и концентраций др. белков, но и также от случайных флюктуаций (Becskei, Serrano, 2000, Elowitz, Leibler, 2000, Gardner, Cantor, Collins, 2000, Hasty, Pradines, Dolnik, Collins, 2000, Ahmad, Henikoff, 2001). Сравнительно недавно исследовали эффекты двух скоррелированных по времени шумов на saddle-node ландшафт индукции клеточных судеб (т.e., одиночной сети генов с регуляцией с помощью позитивных обратных связей) (Zheng et al., 2018). Главным результатом этого исследования является то, что скоррелированные по времени шумы могут не только приводить к изменению (или исчезновению) saddle-node бифуркации в индукции клеточной судьбы, но и приводить к возникновению феномена reentrance. В данном исследовании установлено более четко, как время корреляции окрашенных шумов (colored noise) влияет на стохастическую динамику индукции клеточных судеб, мы всё ещё главным образом сконцентрированы на сети одиночных генов с регуляцией с помощью позитивных обратных связей, где скорость базового синтеза (или индуктивных стимулов), как полагают, случайно вариабельно ассоциирована с цветовыми шумами. Результаты данного исследования помогут нам лучше понять роль индукции клеточных судеб в биологии развития.

Итак, индукция клеточных судеб, базирующаяся на saddle-node бифуркации, без сомнения очень важная концепция в биологии развития, которая предоставляет возможный механизм, объясняющий внутренне присущую необратимость в процессе развития. В данной работе исследовали эффект окрашенных шумов, которые ассоциируют с индуктивными стимулами, на saddle-node ландшафт индукции клеточных судеб, особенно эффект изменения времени корреляции окрашенных шумов на индукцию клеточных шумов. Главные результаты четко показывают, что изменение времени корреляции окрашенных шумов д. индуцировать переходы в системе. Это указывает на то, что окрашенные шумы ассоциирующие с индуктивными стимулами, могут оказывать выраженное влияние на ландшафт saddle-node бифуркации индукции клеточных судеб. Это д. также помочь нам глубже понять роль индукции клеточных судеб в биологии развития.