Decisions in the cell that lead to its ultimate fate are important for fundamental cellular functions such as proliferation, growth, differentiation, development, and death. These cell fate decisions can be influenced by both the gene regulatory network and also environmental factors and can be modeled using simple gene feedback circuits. Negative auto-regulation is a common feedback motif in the gene circuits. It can act to reduce gene expression noise or induce oscillatory expression and is thought to lead to only one cell fate. Here, we present experimental and modeling data to suggest that a self-repressor circuit can lead to two cell fates under specific conditions. We show that the introduction of inducers capable of binding and unbinding to a self-repressing gene product (protein), thus regulating the associated gene, can lead to the emergence of two cell states. We suggest that the inducers can alter the effective regulatory binding and unbinding speed of the self-repressor regulatory protein to its destination DNA without changing the gene itself. The corresponding simulation results are consistent with the experimental findings. We propose physical and quantitative explanations for the origin of the two phenotypic cell fates. Our results suggest a mechanism for the emergence of multiple cell fates. This may explain the heterogeneity often observed among cell states, while illustrating that altering gene regulation strength can influence cell fates and their decision-making processes without genetic changes.

中文翻译：

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两种细胞命运的出现以及它们对负自动调节基因的转换

细胞内决定其最终命运的决定对于细胞的基本功能（例如增殖，生长，分化，发育和死亡）很重要。这些细胞命运的决定可能会受到基因调控网络和环境因素的影响，并可以使用简单的基因反馈电路进行建模。负自动调节是基因电路中常见的反馈基序。它可以起到降低基因表达噪音或诱导振荡表达的作用，并被认为仅导致一种细胞命运。在这里，我们提供实验和建模数据，以表明自抑制电路可以在特定条件下导致两种细胞命运。我们表明，引入能够结合和解除结合自我抑制基因产物（蛋白质）的诱导剂，从而调节相关基因，会导致两种细胞状态的出现。我们建议诱导剂可以改变自我阻遏蛋白调节蛋白与其目的地DNA的有效调节结合和解键速度，而无需改变基因本身。相应的仿真结果与实验结果一致。我们提出了两种表型细胞命运的起源的物理和定量解释。我们的结果提示了多种细胞命运的出现的机制。这可能解释了通常在细胞状态之间观察到的异质性，同时表明改变基因调控强度可以影响细胞命运及其决策过程，而无需遗传改变。我们建议诱导剂可以改变自我阻遏蛋白调节蛋白与其目的地DNA的有效调节结合和解键速度，而无需改变基因本身。相应的仿真结果与实验结果相符。我们提出了两种表型细胞命运的起源的物理和定量解释。我们的结果提示了多种细胞命运的出现的机制。这可能解释了通常在细胞状态之间观察到的异质性，同时表明改变基因调控强度可以影响细胞命运及其决策过程，而无需遗传改变。我们建议诱导剂可以改变自我阻遏蛋白调节蛋白与其目的地DNA的有效调节结合和解键速度，而无需改变基因本身。相应的仿真结果与实验结果一致。我们提出了两种表型细胞命运的起源的物理和定量解释。我们的结果提示了多种细胞命运的出现的机制。这可能解释了通常在细胞状态之间观察到的异质性，同时表明改变基因调控强度可以影响细胞命运及其决策过程，而无需遗传改变。我们提出了两种表型细胞命运的起源的物理和定量解释。我们的结果提示了多种细胞命运的出现的机制。这可能解释了通常在细胞状态之间观察到的异质性，同时表明改变基因调控强度可以影响细胞命运及其决策过程，而无需遗传改变。我们提出了两种表型细胞命运的起源的物理和定量解释。我们的结果提示了多种细胞命运的出现的机制。这可能解释了通常在细胞状态之间观察到的异质性，同时表明改变基因调控强度可以影响细胞命运及其决策过程，而无需遗传改变。