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中山大学博士学位论文 转录调控网络生物学功能的机制研究 专业：应用数学 博士生：苑占江 指导教师：周天寿教授 摘要 细胞利用相互作用的基因和蛋白质所组成的环路来实现各种遗传和发育方 案并由此执行生物学功能。系统生物学的一个主要目标就是阐明这些环路的调 控构建和单细胞的动力学行为之间的关系。由于蛋白质的活性涉及基因的转录 调控，而基因表达又依赖于转录调控蛋白( 即转录因子) 对特定启动子序列的 识别，因此细胞生物学功能主要是通过转录调控网络来实现的。这样，在转录 层次上研究基因调控环路的生物学功能是基本且重要的。 先前的研究更多地关注细胞的基因构成组分，而人们并不清楚这些基因是 如何组织和进化并产生复杂的生物学功能。一方面，大量的研究表明细胞的复 杂生理功能是由其大量构成基因以多种多样的、相互关联的调控方式来产生的， 因此仅在个体水平上揭示单基因对细胞生物学功能的贡献是不够的；另一方面， 细胞内基因调控网络的高度复杂性也排除了直接在整体水平上研究其生物学功 能的可能性。这两个方面的原因促使人们寻找其它合理且可行的途径来研究细 胞生物学功能。功能模块的概念由此诞生，它提供了研究细胞生物学功能一个 非常有用的框架。事实上，将复杂的生物网络看作相互联结的功能模块是一种 处理和研究生物复杂性的有效方式。首先，从网络模块的角度研究调控网络成 分的相互作用和功能之间的关系可以帮助我们在系统层次上理解细胞这样的复 杂实体；其次，生物系统模块化组织的研究有助于我们深入了解生物结构和功 能的进化过程。模块化本身可以有助于快速重新配置网络结构来提高生物系统 的进化能力，即模块的重新连接为系统提供一种在面对不断变化的选择压力下 中山大学博士学位论文 快速产生多样性功能的一种能力；第三，研究网络模块的功能在生物制药、基 因理疗、人造器官等方面具有潜在的应用前景。 本学位论文采取系统生物学的“自下而上”的研究思路，在转录层次上研 究了基因调控系统中若干网络模块的生物学功能。通过网络构建( 包括设计与 构造) 、数学建模、理论分析和数值模拟等环节，从动力学的角度研究了网络模 块的刺激响应关系，涨落耗散关系，双稳性，振动性，细胞斑图等。研究时 我们考虑了若干生物因素，如调控性质( 正或负调控) 、分子噪声、组合信号整 合、结构变异等。通过系统研究，我们揭示出若干网络模块的某些一般性规律。 全文分为以下六章：第一章，首先介绍了系统生物学，其次介绍了转录调 控网络的基础知识，包括基本概念、研究思路、数学建模策略、数值计算方法 等；第二章，首先介绍了基因转录调控过程中的随机因素，特别研究了正负反 馈调控中的慢转录过程，显示出慢转录过程的速率对噪声与反馈之间的关系有 重要影响，其次给出了利用转录调控过程的随机噪声来辨识转录组合调控模式 的一种有效方法；第三章，基于著名的双负反馈基因t 0 9 9 l es w i t c h 系统，研究 了生化噪声是如何驱动双稳系统的切换行为以及基于密度感应通讯的多细胞双 稳系统的同步切换行为，并由此阐明了在噪声环境下转录调控模块的生物记忆 功能。第四章，首先介绍了一种典型的松弛型基因振子，然后着重研究了细胞 内外信号的逻辑整合对于细胞群体行为的影响，发现不同顺式调控组件驱动不 同模式的细胞斑图。第五章，首先介绍了生物网络模块的进化，然后研究了两 类拓扑等价的耦合正负反馈基因振子，通过鲁棒性分析推测一类特定结构的基 因振子被进化选择。第六章，首先就本文的研究内容和结果作出总结，然后讨 论了转录调控网络研究中仍然存在的若干问题以及将来可能的发展方向。 关键词：转录调控网络；网络模块；动力学；随机性；反馈回路 中山大学博士学位论文 r e s e a r c ho nm e c h a n i s m sf o r f u n c t i o n so f t r a n s c r i p t i o n r e g u l a t o r yn e t w o r k s m a j o r ：a p p l i e dm a t h e m a t i c s n a m e ：z h a n j i a n gy u a n s u p e r v i s o r ：p r o f t i a n s h o uz h o u a b s t r a c t c e l l su s ec i r c u i t sc o m p o s e do fi n t e r a c t i n gg e n e sa n dp r o t e i n st oi m p l e m e n t d i v e r s eg e n e t i ca n dd e v e l o p m e n t a lp r o g r a m sa n dt ot h u sp e r f o r mb i o l o g i c a l f u n c t i o n s am a j o rg o a lo fs y s t e m sb i o l o g yi st oc o n n e c tt h er e g u l a t o r ya r c h i t e c t u r e s o f t h e s ec i r c u i t st ot h ed y n a m i cb e h a v i o ro fi n d i v i d u a lc e l l s t h ea c t i v i t yo f p r o t e i n s i n v o l v e sg e n et r a n s c r i p t i o n a lr e g u l a t i o n , a n dg e n ee x p r e s s i o np r o g r a m si nt u r n d e p e n do nr e c o g n i t i o no fs p e c i f i cp r o m o t e rs e q u e n c e sb yt r a n s c r i p t i o n a lr e g u l a t o r y p r o t e i n s ( i e ，t r a n s c r i p t i o nf a c t o r s ) ，s oi m p l e m e n t a t i o n so fc e l l u l a rf u n c t i o n sd e p e n d m a i n l yo nt r a n s c r i p t i o n a lr e g u l a t o r yn e t w o r k s i nt h i ss e n s e ，i ti sf u n d a m e n t a la n d i m p o r t a n tt os t u d yb i o l o g i c a lf u n c t i o n so fg e n er e g u l a t o r yc i r c u i t sa tt h el e v e lo f t r a n s c r i p t i o n t h e p r e v i o u ss t u d i e sc o n c e r n e dm o r ea b o u ti n d i v i d u a lc o m p o n e n t s ，b u ti ti sn o t c l e a rt h a tt h e s ec o m p o n e n t sa r eh o wt oo r g a n i z ea n de v o l v et oa c h i e v ec o m p l e x b i o l o g i c a lf u n c t i o n s o nt h eo n eh a n d , m a n ys t u d i e sh a v es u p p o r t e dt h ei d e at h a t c o m p l e xc e l l u l a rp h y s i o l o g i c a lf u n c t i o n sa r i s ef r o mt h ei n t e r a c t i o n so fal a r g e a m o u n to fc o n s t i t u e n tg e n e s ，s oi t i sn o ts u f f i c i e n tt or e v e a lt h ec o n t r i b u t i o no fa g e n et oc e l l u l a rf u n c t i o n sa tt h el e v e lo fi n d i v i d u a l o nt h eo t h e rh a n d , t h eh i g h 中山大学博士学位论文 c o m p l e x i t yo fg e n er e g u l a t o r yn e t w o r k si n s i d e c e l l sr u l e so u tt h ep o s s i b i l i t yo f d i r e c t l ys t u d y i n gb i o l o g i c a lf u n c t i o n sa tt h el e v e lo fp o p u l a t i o n t h e s et w oa s p e c t s m o t i v a t et os e e ko t h e rw a y so fs t u d y i n gc e l l u l a rf u n c t i o n s t h ec o n c e p to ff u n c t i o n a l m o d u l ei st h u sb r o u g h tf o r w a r d ，w h i c hp r o v i d e sau s e f u lf r a m e w o r kt os o l v et h e d i l e m m a i nf a c t ，v i e w i n gb i o l o g i c a ln e t w o r k si nt e r m so fah i e r a r c h yo fi n t e r l i n k e d f u n c t i o n a lm o d u l e si sau s e f u lw a yt op a r s eb i o l o g i c a lc o m p l e x i t yi n t op a r t st h a ta r e m o r ee a s i l yu n d e r s t o o d f i r s t ，f r o mv i e w p o i n t so fn e t w o r km o d u l e ，o n ec a ng e ta s y s t e m a t i cu n d e r s t a n d i n go ft h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h en e t w o r ks t r u c t u r ea n d f u n c t i o n se v e nf o rn a t u r a ls y s t e m s s e c o n d , s t u d y i n gt h em o d u l a ro r g a n i z a t i o no f b i o l o g i c a ls y s t e m sc a np r o v i d ei n s i g h t si n t ot h e i rs t r u c t u r e sa n de v o l u t i o np r o c e s s e s m o d u l a r i t yi t s e l fm i g h th a v eap r o p e r t yt h a ti m p r o v e st h ee v o l v a b i l k yo fb i o l o g i c a l s y s t e m sb yf a c i l i t a t i n gt h er a p i dr e c o n f i g u r a t i o no fn e t w o r ks t r u c t u r e i no t h e rw o r d s ， t h er e c o n n e c t i o no fm o d u l e sm a yp r o v i d eas y s t e mw i t ht h ea b i l i t yt or a p i d l y g e n e r a t ef u n c t i o n a ld i v e r s k yi nt h ef a c eo fc o n t i n u a l l yc h a n g i n gs e l e c t i v ep r e s s u r e s t h i r d ，s t u d y i n gt h e f u n c t i o n so fn e t w o r km o d u l e sh a sp o t e n t i a l a p p l i c a t i o n p e r s p e c t i v e si ns u c hf i e l d sa sb i o l o g i c a lp h a r m a c y , g e n et h e r a p y , m a n - m a d eo r g a n s ， e t c b a s e do nt h er e s e a r c hi d e ao f ”b o t t o m - u p ”i ns y s t e m sb i o l o g y , t h i st h e s i s s t u d i e db i ol o g i c a lf u n c t i o n so fs e v e r a lt y p i c a lg e n er e g u l a t o r yc i r c u i t so rm o d u l e sa t t h el e v e lo ft r a n s c r i p t i o n t h r o u g hn e t w o r kb u i l d i n g ( i n c l u d i n g d e s i g n a n d c o n s t r u c t i o n ) ，m a t h e m a t i c a lm o d e l i n g ，t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n , w ei n p a r t i c u l a rs t u d i e d ，f r o mv i e w p o i n t so fo rd y n a m i c s ，s t i m u l u s - r e s p o n s e r e l a t i o n s h i p ，f l u c t u a t i o n - d i s s i p a t i o nr e l a t i o n s h i p ，b i s t a b i l i t y , o s c i l l a t i o n ，c e l l u l a r p a t t e r n , a n ds oo n d u r i n gt h ep r o c e s so fo u rs t u d y , w ec o n s i d e r e ds o m eb i o l o g i c a l f a c t o r s ，s u c ha sf e e d b a c kc h a r a c t e r i s t i c ( p o s i t i v eo rn e g a t i v ef e e d b a c k ) ，m o l e c u l a r n o i s e ，c o m b i n a t o r i a ls i g n a li n t e g r a t i o n , s t r u c t u r em u t a t i o n , e t c t h r o u g hs u c ha s y s t e m i cs t u d y , w et r i e d t oc o n c l u d es o m eg e n e r a lp r i n c i p l e so fs e v e r a ln e t w o r k m o d u l e s i v 中山大学博士学位论文 t h et h e s i si sd i v i d e di n t os i xc h a p t e r sw i t ht h e m a i nc o m e n t sb e i n go r g a n i z e da s f o l l o w s i nc h a p t e r1 ，w ei n t r o d u c e df i s r ts y s t e m s b i o l o g ya n dt h e nb a s i c k n o w l e d g er e l a t e dt ot r a n s c r i p t i o nn e t w o r k s ，i n c l u d i n gb a s i cc o n c e p t i o n s ，r e s e a r c h i d e a s ，m a t h e m a t i c a lm o d e l i n ga p p r o a c h e s ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o nm e t h o d s ，e t c c h a p t e r2f i r s ts t u d i e dt h es l o wt r a n s c r i p t i o n a ld y n a m i c sd u r i n gt h ep r o c e s so f p o s i t i v eo rn e g a t i v ef e e d b a c kr e g u l a t i o n , a n ds h o w e dt h a ti th a sas i g n i f i c a n ti m p a c t o nf e e d b a c kn o i s e - s u p p r e s s i o n t h e n , i tg a v ea ne f f e c t i v em e t h o do fi d e n t i 矽i n gt h e m o d eo ft h ec o m b i n a t o r i a lr e g u l a t i o nb yt a k i n ga d v a n t a g eo fs t o c h a s t i cn o i s ei n t r a n s c r i p t i o n a lr e g u l a t i o n i nc h a p t e r3 ，b a s e do nt h ef a m o u sd o u b l e - n e g a t i v e f e e d b a c kg e n e t i ct o g g l es w i t c h , w ee l u c i d a t e dt h ef u n c t i o no fb i o l o g i c a lm e m o r yi n t h ef a c eo fn o i s ye n v i r o n m e n t ，b yi n v e s t i g a t i n gc o h e r e n ts w i t c h i n gb e h a v i o r si nt h e c a s eo fs i n g l ec e l l sa sw e l la ss y n c h r o n o u ss w i t c h i n g6 e h a v i o ri nt h ec a s eo fq u o r u m s e n s i n gc o m m u n i c a t i o n - b a s e dm u l t i p l ec e l l s i nc h a p t e r4 ，w ef n - s ti n t r o d u c e da t y p i c a lr e l a x a t i o n - t y p eg e n e t i co s c i l l a t o r , a n dt h e ni n v e s t i g a t e d h o wt h el o g i c c o m b i n a t i o no fi n t e r n a la n de x t e r n a ls i g n a l sa f f e c t sc o l l e c t i v eb e h a v i o r sa c r o s sa p o p u l a t i o n , f i n d i n gt h a tt h ec i s - r e g u l a t i o n m o d u l e sc a nd r i v ed i f f e r e n tc e l l u l a r p a t t e r n s i nc h a p t e r5 ，w ef n s t i n t r o d u c e dt h ee v o l u t i o no fb i o l o g i c a ln e t w o r k m o d u l e s t h e n , w em a d ec o m p a r i s o n sb e t w e e nt w ot o p o l o g i c a l l ye q u i v a l e n t o s c i l l a t o r so fc o u p l e dp o s i t i v ea n dn e g a t i v ef e e d b a c kl o o p s ，a n df o u n de v o l u t i o n a r y a d v a n t a g e so f al a r g ec l a s so fn a t u r a lb i ol o g i c a lo s c i l l a t o r s i nt h ef i n a lc h a p t e r , w e f i r s tc o n c l u d e dt h et h e s i s ，t h e nd i s c u s s e ds o m eu n s o l v e di s s u e sf o rg e n e t r a n s c r i p t i o n a ln e t w o r k s ，a n df i n a l l yg a v et h eo u t l o o ko fs o m er e l e t e dp o t e n t i a l r e s e a r c hd i r e c t i o n s k e y w o r d s ：o e n et r a n s c r i p t i o n a l n e t w o r k ；n e t w o r km o d u l e ；d y n a m i c s ； s t o c h a s t i c i t y ；f e e d b a c kl o o p v 论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的作品成果对本文的研究作出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名： 日期：年月日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版，有权将学 位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被 查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或 其他方法保存学位论文 学位论文作者签名： 日期：年月日 l j i l i 签g , ：1 国乏寿厂 日期：蜥石月石e l 中山大学博士学位论文 1 1 系统生物学简介 绪论 生物学研究的最终目标是要了解生物系统的所有组分及其运行机制。1 9 5 3 年w a t s o n 和c r i c k 发现了脱氧核糖核酸( d n a ) 的结构，从此开辟了生物学的全 新道路【，他们工作的完美之处在于将生物学现象建立分子基础之上。这使得 在坚实的理论基础上讨论诸如遗传、发育、疾病、进化等生命现象成为可能。 生物学从此成为基于物理学基本规律的整体知识结构的一部分，人们开辟了分 子生物学领域，并取得巨大的成功。分子生物学使我们将生物系统理解为分子 机器。今天，我们深刻地理解了在遗传、进化、发育、以及疾病背后的基本过 程，包括复制、转录、翻译等。随着全d n a 序列测定的完成，已经鉴别出大量 基因及其转录产物的功能。另外，目前已有方法能在n a g n a 水平进行全面测量， 从而获得基因表达谱。测量蛋白质表达水平及其相互作用的方法也取得很大的 进展。与此同时，很多干涉基因转录的方法也已经发明。我们对生物系统分子 水平机制的理解和知识无疑将加速发展。 然而，这些知识并不能使我们在系统层次上对生物系统进行理解。理解组 成系统的各个部分对理解系统是必要条件，但并不是充分条件。因此，随之而 来的挑战是在分子生物学的基础上如何从系统水平上认识生物系统。在这种背 景下，系统生物学成为生物学新的研究领域，其目的就在于从系统水平上理解 生物系统。虽然，并非初次尝试从系统水平上来理解这一概念，因为系统是科 学领域中反复出现的课题。w i e n e r 是最早提出系统理解的先驱，这导致控制论 ( 即生物控制论) 的产生1 2 。1 9 6 8 年b e r t a l a n f f y 曾试图建立通用的系统理论【3 1 ， 但是理论太抽象，而且有些站不住脚。c a n n o n ( 1 9 3 3 ) 早期的工作中也有类似 的情况【4 1 。由于当时分子生物学的知识太有限，大多数这样的些尝试都是集 中在生理水平上的描述和分析生物系统。因此，系统生物学和过去的研究的唯 一区别在于，系统生物学有可能将系统水平的理解直接建立在分子水平上( 如 中山大学博士学位论文 基因、蛋白质等) ，第一次能够真正理解生物系统。现在正是揭示生物系统基本 原理、深刻理解系统行为并加以应用的黄金时机。为了抓住这一机遇，建立从 整体水平上认识生物系统的方法和技术是其根本。通过它们，可以研究：系统 结构，如基因、代谢、信号转导网络以及物理结构；系统的动力学特性；控制 系统的方法；设计和修改系统的方法以达到期望的特性。系统生物学提供了系 统水平对生命的理解的机会 5 , 6 1 。 系统生物学潜在的研究范围十分广泛，各个研究目标可能采取不同的技术。 它需要来自多个研究领域，如分子生物学、数学、计算科学、物理、化学以及 其他学科的集体努力。这样的多学科研究使我们能将生物系统当作一个系统来 看。为此，我们需要完成以下四方面的工作：( 1 ) 系统结构的鉴定；( 2 ) 系统 行为分析；( 3 ) 系统控制；( 4 ) 系统设计。 目前，系统生物学的研究面对着许多挑战，大量的基因组序列数据和蛋白 质结构数据等对于理解单独成分如何相互作用产生功能的贡献很小。完整的系 统生物学研究策略需要：( 1 ) 特征化生物组织的分子构成，即由哪些分子相互 作用和如何相互作用产生生物学功能；( 2 ) 细胞的空间时间分子特征( 例如， 组分动力学，空间区化，囊泡运输) ；( 3 ) 详细的分析细胞对于内部和外部刺 激的分子响应。通过( 1 ) 和( 2 ) 得到信息需要通过建立数学模型来整合，在 ( 3 ) 下给出功能预测，发现新的功能，计算系统的行为【_ 7 1 。为了解决上面的挑 战，系统生物学必须整合多个学科的研究方法和策略。 面对挑战，系统生物学研究主要采取两种不同的研究思路：一个是“自上 而下”：而另一个是“自下而上 。伴随着“组学”的引入，自上而下的研究策 略作为一种新的且主导的方法。它通过测量全基因组实验数据对系统做了一个 鸟瞰，目的为的是发现和特征化更接近底层的生物机制。在这种自上而下的系 统生物学中，人们采取从实验数据到数据分析，再到数据整合决定分子浓度的 相互作用，最后给出分子之间的相互调控假设的循环迭代的方式发现新的分子 机制：首先进行实验测量获得大量数据，再进行数据分析和数据整合，以确定 分子浓度的相关性，最后得出分子相互调控的分子机制假设；然后再利用这些 假设预测新的分子浓度间的相关性，接着便是新一轮的测试实验，新一轮的数 2 中山大学博士学位论文 据分析，如此循环迭代。自上而下系统生物学的主要优势是它潜在的完整性， 它涉及到多个组学知识，包括代谢组学( m e t a b o n o m i c s ) 、转录组学 ( t r a n s c r i p t o m i c s ) 和蛋白质组学( p r o t e o m i c s ) ，从而我们可以更加全面的研究 生物系统；然而“自上而下”的研究方法无法逾越生物系统复杂性的障碍且不 能深层次阐明生物系统的运行机制。“自上而下”的系统生物学是通过归纳 ( i n d u c t i o n ) 的方法研究生物系统；而自下而上的系统生物学则是通过演绎 ( d e d u c t i o n ) 的方法研究生物系统，它可以克服生物系统复杂性的困难，从子 系统出发以高度精确的分子机制研究生物系统。自下而上的系统生物学从底部 即基本的构成部分出发，利用数学模型精确刻画每个组成部分的生物化学通道， 然后通过这些模型预测系统行为，最后组合这些通道模型成为一个全系统模型， 从而达到揭示生物系统的运行机制的目的。“自下而上”系统生物学所采用的模 型是基于生物化学机制的，不同于“自上而下 研究方法中基于现象描述的统 计模型。在下面的研究工作中，我们将采用“自下而上”的研究方法探讨生物 系统的运行机制。 系统生物学是研究一个生物系统( 如细胞等) 中所有组成成分( 基因、 m r n a 、蛋白质等) 的构成，以及在特定条件下这些组分间的相互关系的学科。 也就是说，系统生物学不同于以往的实验生物学仅关心个别的基因和蛋白质， 它要研究构成生物系统的所有的基因、所有的蛋白质、组分间的所有相互关系。 在细胞中，这些庞大的“相互关系”形成一个非常复杂的生物网络。 具体的复杂生物网络的例子包括基因调控网络、蛋白质相互作用网络、代 谢网络等。本文我们关注于d n a 和与转录因子组成的转录调控网络的研究。在 研究中，有两个重要的假设塑造了我们对于转录调控网络的认识：首先生物网 络是在进化选择压力下执行特定的生物学功能，这样做保证个体成功繁衍的概 率：其次生物功能通常不是由微观层次上的独立的分子执行的，而是宏观层次 相互作用网络整体的协作行为。在特定生物功能限制下生物网络如何呈现出复 杂的行为的问题对于系统生物学来说是具有中心地位的。 中山大学博士学位论文 1 2 转录调控网络背景知识 细胞不停地调整它的基因表达水平，这个调控过程中的中心机制涉及到转录 调控，即转录因子和目标调控基因的启动子区域结合。一个给定的转录因子可以 调控一个或多个目标基因的转录，而一个基因也可以同时被一个或多个转录因子 所调控，同时不同的转录因子也可以相互调控，这些基因和转录因子一起形成一 个复杂的基因转录调控网络。下面我们首先分别介绍基因表达及调控机制的基本 知识和基因调控网络中的随机性，最后我们还特别介绍了基因调控网络模块等相 关知识。 1 2 1 基因的概念 “基因”这个单词是由丹麦植物学家威廉约翰逊( w i l h e l mj o h a n n s e n ) 在 1 9 0 9 年为描述遗传的基本物理和功能单元提出来的。该词来源于雨果德弗里斯 ( h u g od ev r i e s ) 的词汇p a n g e n ，是达尔文( d a r w i n ) 创造的词p a n g e n e s i s 的 衍生词。而p a n g e n e s i s 又是由由希腊单词p a n ( 前缀，意思是“整个”，“包括”) 和g e n e s i s ( “诞生) 或g e n o s ( “起源”) 造出来的。然而基因的想法要回溯到 达尔文关于进化论的工作和孟德尔关于豌豆遗传的实验工作。达尔文意识到需 要一个“不可再分的遗传单元，这样的话遗传特征就不会被简单的稀释掉或 是相互混合到不再能够区分开来。现代的分子生物学中一个基因的概念是就是 d n a 序列片段，这个贡献归功于与1 9 5 3 年w a t s o n 和c r i c k 发现d n a 双螺旋 结构。 1 2 2 基因表达 分子生物学的中心法则给出了遗传信息的流动方向从d n a 到蛋白质中间 经过中间产物m r n a ( 图1 一1 ) 。它描述了d n a 碱基序列如何对应于蛋白质氨 基酸序列。在任何生物细胞当中蛋白质常常作为大部分生化反应的催化剂。它 们在几乎所有的生物过程起到至关重要的作用并且决定着细胞的特征。基因通 过蛋白质合成来解码遗传信息，因此d n a 携带了完整的遗传信息并决定组织 的结构和功能。 基因生成蛋白质的过程我们称之为基因表达。然而，d n a 在每个细胞当中 4 中山大学博士学位论文 复制n d n a 望- = 薹白质 一 矗h ，- l 翻译 图1 - 1 中心法则示意图 都是稳定的分子，而m r n a 和蛋白质则是不稳定的分子。因为并不是所有的 蛋白质需要不断的高表达水平，所以基因需要能够开启和关闭。假如一个基因 需要编码蛋白质。那么它将被表达或开启。当这个发生的时候，d n a 首先转录 为r n a 序列通过转录过程。这些r n a 被翻译为氨基酸序列通过一个称之为翻 译的过程。 1 2 3 基因调控 基因调控过程使得细胞可以对于自身具有蛋白质的数量可以加以控制。调 控基因表达可以通过若干阶段来实现。第一，转录调控是指控制一个基因什么 时候和什么频率转录。第二，翻译控制指挥m r n a 分子运输和选择哪个m r n a 分子在细胞质内被核糖体翻译。第三，降解控制选择某些m r n a 分子或蛋白质 分子进行降解。另外，后翻译修饰控制着特定的蛋白质分子的激活或去活性。 因为有这些控制步骤，细胞可以控制每个基因的转录速率和每个m r n a 分子的 翻译速率。 基因表达过程在真核生物中比原核生物更加复杂。主要原因就是原核细胞 仅仅包含一个间隔，在这里转录和翻译同时发生，然而在真核细胞中，转录在 细胞核内，但是m r n a 分子必须运输到细胞质内才可以进行翻译。因此在原核 生物中，转录启动速率的控制是处于支配位置的控制基因表达的方法，而在真 核生物中，调控基因表达可以提供多个不同点来实现控制。 然而，在大多数情况下，转录调控是最多被用于控制基因表达 8 1 。作为基 因表达过程的第一个阶段，它是实现调控的最经济的方式，不产生多余的中间 产物分子并因此为其他重要的任务节省能量 9 1 。具体的转录调控机制在本文当 中山大学博士学位论文 中将详细解释。 1 2 4 基因转录调控机制 每个基因都包含一个编码区域和一个调控( 非编码) 区域。编码区域用于 转录m r n a 分子，调控区域起到控制基因表达的作用。转录过程的一个核心成 分就是被称为启动子的控制元件。启动子包含一个催化蛋白的结合位点，该蛋 白就是熟知的r n a 聚合酶，它负责转录过程。编码区域和调控区域的复杂程度 因组织的不同而不同。在真核生物中，每个基因都有自己的启动子。在原核生 物中，一组基因称为操纵子( o p e r o n ) 可以同时转录生成一个m r n a 分子，和 被一个启动子所调控。 当r n a 聚合酶结合到启动子的时候，转录开始。它把d n a 双链打开，然 后顺着一条链一步一步滑行，转录编码区域生成m r n a 模板。随着m r n a 模 板的不断建立，r n a 聚合酶过后d n a 双链又重新结合起来。当聚合酶到达基 因的末端转录过程终止。 典型的情形是，r n a 聚合酶本身不结合到调控区域的d n a 序列上，但需 要和转录因子形成复合物。这些保持功能的蛋白根据增加或减少转录速率，而 被分别称为激活子或压制子。激活子增加r n a 聚合酶与启动子的结合作用，因 此增加基因表达速率。压制子阻止r n a 聚合酶的沿着d n a 链的前进，因此妨 碍基因表达。相应地，如果结合位点结合了一个激活子，那么这个结合位点就 称为增强子，若结合一个压制子结合位点就称为静默子。另外，转录因子和d n a 的结合能力还可以通过和其他蛋白的相互作用而增强或减弱。 1 2 5 基因调控网和反馈调控 因为转录因子也是基因表达的产物，它们也受到调控控制，形成反馈进而 产生基因调控网络的概念。一个基因调控网络是细胞内部一些d n a 分子片段， r n a 分子，蛋白和其他代谢物的集合体，它们相互作用通过反馈环路。主要有 两种反馈形式：正反馈和负反馈。 在负反馈中，转录因子压制自身的基因的转录，通过阻止r n a 聚合酶结合 到启动子区域。负反馈一般来说是网络稳定的基础。它们也是稳定振动的必要 条件，例如昼夜节律 i o , n l ，细胞周删1 2 】和钙波【1 3 1 。另一方面，在正反馈中，转 6 中山大学博士学位论文 录因子促进自身基因的转录，靠增强r n a 聚合酶和启动子区域的结合。正反馈 是生物多稳态现象的基础【1 4 ，15 1 。 带有多个反馈的基因调控网络会表现出更加复杂的动力学行为。例如，混 沌行为，这往往由于某些形式的正反馈，并混合一些负反馈【1 4 】。e l o w i t z 和l e i b l e r 实验上合成的仅由负反馈构成的振子表现出不稳定特剧1 6 1 ，但是耦合正反馈环 路就表现出鲁棒性和可调性特点f m 。 1 2 6 基因调控中的合作性 在生物化学或分子生物学中，酶或受体表现出合作现象，也就是它们具有 多个结合位点。在基因调控网络中，在调控区域往往具有多个结合位点，这些 结合位点可以结合多个转录因子。因此，转录调控倾向于多个转录因子之间的 组合作用，这样可以对多个不同的环境条件作出复杂的响应。非合作结合发生 在转录因子独立结合到调控区域上的时候。合作结合发生在当转录因子与结合 位点的亲和力依赖于已经结合的转录因子的数量。当两个转录因子和同一个结 合位点结合的时候，竞争也会发生。 1 2 7 基因调控模块 活体细胞是基因表达的产物，它涉及成千上万个被转录调控的基因。基因 表达依赖于转录调控蛋白对于特定的启动子序列的识别。全基因组内大量转录 调控蛋白和基因的相互作用构成所谓的转录调控网络。细胞生物学功能要主要 通过复杂的转录调控网络来实现的，这样复杂的系统是如何组织以及在进化过 程中如何演化的是生物学研究的中心问题。先前的研究更多关注的是细胞的基 因构成组分，而人们还不清楚这些基因是如何组织和进化而产生复杂的生物学 功能。大量的研究表明细胞复杂的生理功能是由大量构成基因以多种多样的调 控方式相互作用而产生的，因此仅从单个基因上揭示其对生物功能的贡献是不 可行的，另外调控网络的高度复杂性也排除了直接从整体上研究生物功能的可 能性，而功能模块的概念提供了解决这一两难困境的一个非常有用的框架。将 复杂的生物网络看作相互连接的功能模块的观点是一种将生物复杂性分解成为 便于研究和理解组成部分的有效方式。首先，从网络模块的角度研究调控网络 成分的相互作用和功能之间的关系可以帮助我们在系统层次理解细胞这样的复 中山大学博士学位论文 杂实体。另外，生物系统模块化组织的研究有助于我们深入了解生物结构和功 能的进化过程。模块化本身可以有助于快速重新配置网络结构来提高生物系统 进化能力，即模块的重新联结为系统提供一种在面对不断变化的选择压力下快 速产生多样性功能的一种能力。 关于基因调控网络模块的定义有很多种，我们这里给出两种最主要的定义。 第一种定义是有a l o n 和其合作者引入的，已经成为研究复杂网络分析的一个很 重要的概念b 8 ：9 】。这里的网络模块是指真实网络中一种模式或子图出现的频率 高于随机网络。真实生物网络当中网络模块出现的频率的差异是非常有趣的一 件事情。已经有工作将特定网络模块出现频率的差异和网络功能需要的系统差 异性联系起来【2 们。另外一个观点是进化过程中，在真实网络中出现概率比相应 的随机网络中出现的概率大的模式由于具有更强的抵抗边( 即相互作用) 的变 异能力，也就是说这种模式在进化过程当中具有更强的保守性。在图1 2 中给 出了在若干模式生物包括大肠杆菌和酵母中被很好研究的网络模块的例子。第 二种定义是生物体中存在独立的且能够实现相应的生物学功能的网络结构。例 如负反馈减低系统噪声2 1 1 ，正反馈产生双稳记忆性2 2 - 2 4 ，延时负反馈产生持续 振动行为 2 5 2 6 1 ，前馈环加速响应【2 7 1 。 0 3 吱、o ) 图1 - 2 基本的转录调控模块。包括正自调控模块、负自调控模块、双负调控馈模块、两节 点负反馈模块、双正调控模块、三节点环形负调控模块。 我们知道当网络模块被即使被识别出来，一般不能够立即建立出结构和它 在调控过程中的所起功能的映射。因此，在探测和列举出大量的网络模块之后， 大量的工