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中山大学理学硕士学位论文 一类可激励基因系统的动力学分析 专业：应用数学 学位申请人：朱楠楠 导师及职称：周天寿教授 摘要 细胞功能是通过基因之间的调控关系才得以实现的。认识和理解这种调控网 络的构成及其动力学机制，将成为后基因组学中极具挑战性的前沿研究课题之 一。本论文选择了与此有关的话题一可激励基因系统。在这种系统中，外部刺激 能使系统展现出原系统没有的、新的动力行为。由于这类生物系统涉及太多影响 其动力学行为的因素，不同的因素能够诱导系统不同的动力学行为，因此可激励 生物系统的生物物理机制到目前还未研究清楚。本文重点研究枯草芽孢杆菌感受 态的进入和退出的可激励基因调控环路模型的动力学行为。结合已有的研究结 果，我们得知：包含正和负反馈圈的、可激励的基因调控环路可以解释感受态的 行为。根据调控关系，我们可得数学速率方程，并化简得到最终的模型方程一一 个含参数的二维非线性动力系统。本文利用m a t l a b 和分分软件a u t o 详细地分析 了这个系统的动力学行为，包括单稳性、双稳性、可激励性、极限环振动等动力 特征。我们重点刻画了可激励性，它的存在大大丰富了这个系统的动力学。系统 不同状态区域的边界部分相应于不同类型的分岔( h o p f 分岔、鞍结分岔、同宿 分俞等分分) ，对这些分信我们进行了较深入的研究。 由于基因表达的随机性，扰动的来源比较丰富。考虑到感受态激活的三种不 同来源，我们可以得到三种随机模型，但我们未做太多的调查。目前，大部分研 究工作集中在感受态的持久性及噪声对系统的影响等方面，我们相信完全理解可 激励基因系统的生物物理机制指日可待，可激励基因系统将会在实际中发挥更广 泛的作用。 关键词：基因调控网络；分岔；枯草芽孢杆菌；可激励性；动力学； 中山火学理学硕士学位论文 d y n a m i c a la n a l y s i so f ac l a s so fe x c i t a b l eg e n e m a j o r ： s y s t e m s a p p l i e dm a t h m a t i c s m d c a n d i d a t e ：z h un a n n a n s u p e r v i s o r ：p r o f z h o u t i a n s h o u a bs t r a c t f a c i l i t a t i o no fc e l l u l a rf u n c t i o n si s t h r o u g hr e g u l a t i o n b e t w e e ng e n e s t o u n d e r s t a n dt h es t r u c t u r eo ft h e s er e g u l a t o r yn e t w o r k sa n dt h em e c h a n i s mo ft h e i r d y n a m i c sw i l lb eat h o r o u g h l yc h a l l e n g i n gf r o n t i e ri np o s t g e n o m i cr e s e a r c h w e c h o o s es o m eq u e s t i o n sr e l a t i n gt ot h i sf i e l da st o p i co ft h i sd i s s e r t a t i o r v - - e x c i t a b l e g e n es y s t e m s ，a n dm a i n l ys t u d i e dt h ed y n a m i c so fe x c i t a b l eg e n er e g u l a t o r yc i r c u i ti n b s u b t i l i s i ns u c hac l a s so fs y s t e m s ，e x t e r n a ls t i m u l u sc a nc a u s et h es y s t e mt o d e m o n s t r a t et h en e wd y n a m i c a lb e h a v i o u r s a c c o r d i n gt ot h ec o n c l u s i o n sd r e wb y gm s u e l ，a ne x c i t a b l ec o r em o d u l ec o n t a i n i n gp o s r i v ea n dn e g a t i v ef e e d b a c kl o o p c a ne x p l a i nb o t h e n t r y i n t oa n de x i tf r o mt h ec o m p e t e n ts t a t e b a s e do nt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nr e g u l a t i o na n dc o n t r o l ，w ec a ng e tt h er a t eo fe q u a t i o n sa n dt h e f i n a lm o d e l i nt h i sp a p e r ，w ea n a l y z e dt h ed y n a m i c a lb e h a v i o r so ft h i ss y s t e mb ym a t l a ba n d b i f u r c a t i o ns o f t w a r ea u t oi nd e t a i l ，i n c l u d i n gm a n yd y n a m i cc h a r a c t e r s ，s u c ha s ： m o n o s t a b i l i t y , b i s t a b i l i t y , e x c i t a b i l i t y , l i m i tc y c l e o s c i l l a t i o n s w e m a i n l y c h a r a c t e r i z e de x c i t a b i l i t y ，w h i c hl a r g e l ye n r i c h e dt h ed y n a m i c so ft h i ss y s t e m b e c a u s et h es y s t e mi n v o l v e ss om a n yf a c t o r si n f l u e n c i n gd y n a m i cb e h a v i o r s ， d i f f e r e n tf a c t o r sc a l li n d u c ed i f f e r e n td y n a m i cb e h a v i o r s t h eb o u n d a r i e sb e t w e e n s t a t e r e g i o n sc o r r e s p o n d t o v a r y i n gs t y l e s o fb i f u r c a t i o n ( h o p fb i f u r c a t i o n , s a d d l e n o d eb i f u r c a t i o n , h o m o c l i n i cb i f u r c a t i o na n ds oo n ) ，a n dw es t u d i e dt h e m b r i e f l y i i 中山大学理学硕士学位论文 s t o c h a s t i c i t yo fg e n ee x p r e s s i o np r o v i d e sar i c hs o u r c eo f p e r t u r b a t i o n s c o n s i d e r i n gt h r e ed i f f e r e n tp o s s i b l es o u r c e so fc o m p e t e n c e t r i g g e r i n gf l u c t u a t i o n s ， w ec a r la c q u i r et h r e es t o c h a s t i cm o d e l s h o w e v e r , w ed o n tm a k ea l li n d e p t hs u r v e y r e c e n t l y , m o s t l yr e s e a r c hw o r kc o n c e n t r a t eo nt h ea m o u n to ft i m es p e n ti nt h e c o m p e t e n ts t a t ea n dt h ee f f e c to fn o i s e w eb e l i e v ef u l l yu n d e r s t a n d i n go fb i o p h y s i c a l m e c h a n i s mi ne x c i t a b l es y s t e m sc a nb ee x p e c t e ds o o na n dt h ee x c i t a b l eg e n es y s t e m w i l lp l a ya ni m p o r t a n tr o l ei no u rs o c i e t y k e y w o r d s ：g e n er e g u l a t o r yn e t w o r k ；b i f u r c a t i o n ；b a c i l l u ss u b t i l i s ；e x c i t a b i l i t y ； d y n a m i c s ； i i i 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。 签名：撇嗍畔叫 本论文使用授权说明 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e l j 、缩印或其他方法保存学位论文。 保密的学位论文在解密后使用本规定。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 中山大学理学硕士学位论文 1 1 什么是系统生物学 第一章绪论 2 0 世纪生物学经历了由宏观到微观的发展过程，由形态、表型的描述逐步 分解、细化到生物体的各种分子及其功能的研究。1 9 5 3 年沃森和克里克提出的 d n a 双螺旋模型是生物学进入分子生物学时代的标志，7 0 年代出现的基因工程 技术极大地加速和扩展了分子生物学的发展。1 9 9 0 年启动的人类基因组计划是 生命科学史上第一个大科学工程，开始了对生物全面、系统研究的探索，2 0 0 3 年已完成了人和各种模式生物体基因组的测序，第一次揭示了人类的生命密码。 人类基因组计划和随后发展的各种组学技术把生物学带入了系统科学的时代。 系统理论和系统思想对于我国知识分子并不陌生。1 9 8 0 年代在我国学术界 曾经流行过“三论”系统论、信息论和控制论，其中的“系统论”是指奥地利科 学家贝塔朗菲( l b e r t a l a n f f y ) 在19 7 0 年创立的“一般系统论”( g e n e r a ls y s t e m t h e o r y ) 。尽管贝塔朗菲是以生物学家的身份去思考、研究并提出系统论的，但他 的系统论并不仅仅适用于生命科学，而且适用于物理学、心理学、经济学和社会 科学等各门学科。如果说过去所谈论的是指在哲学层面上的、普适性强的一般系 统论，那么本文所要介绍的系统生物学( s y s t e m sb i o l o g y ) ，则是生命科学研究领 域的一门新兴学科【8 】。 作为人类基因组计划的发起人之一，美国科学家莱诺伊胡德( l e r o yh o o d ) 也是系统生物学的创始人之一。在胡德看来，系统生物学和人类基因组计划有着 密切的关系。正是在基因组学、蛋白质组学等新型大科学发展的基础上，孕育了 系统生物学。反之，系统生物学的诞生进步提升了后基因组时代的生命科学研 究能力。正如胡德所说，“系统生物学将是2 1 世纪医学和生物学的核心驱动 力”。基于这一信念，胡德在1 9 9 9 年年底辞去了美国西雅图市华盛顿大学的教 职，与另外两名志同道合的科学家一起创立了世界上第一个系统生物学研究所 ( i n s t i t u t ef o rs y s t e m sb i o l o g y ) 。随后，系统生物学便逐渐得到了生物学家的认 同，也唤起了一大批生物学研究领域以外的专家的关注。2 0 0 2 年3 月，美国科 学周刊登载了系统生物学专集。该专集导论中的第一句话这样写道：“如果对 当前流行的、时髦的关键词进行一番分析，那么人们会发现，系统高居在排 中山大学理学硕士学位论文 行榜上。” 生命科学是研究生命现象及其活动规律的科学，广义的生命科学还包括生物 技术，生物与环境，生物学与其它学科交叉的领域。生命科学所研究的范围极其 广泛而复杂，因此生物学的发展过程中形成了许多生物学的分支学科。生物实验 海量数据的积聚为系统地研究生物系统的运动规律顶顶了基础，由此也诞生了一 门新兴的交叉学科一系统生物学( s y s t e m sb i o l o g y ) 3 作为人类基因组计划的 发起人之一，美国科学家莱诺伊胡德也是系统生物学的创始人之一。在胡德看 来，系统生物学和人类基因组计划有着密切的关系。正是在基因组学、蛋白质组 学等新型大科学发展的基础上，孕育了系统生物学。反之，系统生物学的诞生进 一步提升了后基因组时代的生命科学研究能力。正如胡德所说，“系统生物学将 是2 1 世纪医学和生物学的核心区域动力”。 根据胡德的定义，系统生物学是研究一个生物系统中所有组成成分( 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，它要研究所有的基因、所有的蛋白质、组分间的所有相互关系。显然，系统 生物学是以整体性研究为特征的一种大科学。 1 2 系统生物学的特点 作为后基因组时代的新秀，系统生物学与基因组学、蛋白质组学等各种“组 学 的不同之处在于，它是一种整合型大科学。因此，系统生物学最大的特点即 整合。首先，它要把系统内不同性质的构成要素( 基因、m r n a 、蛋白质、生物 小分子等) 整合在一起进行研究。由于不同生物分子的研究难度不一样，技术发 展程度不一样，目前对它们的研究水平有较大的差距。例如，基因组和基因表达 方面的研究已经比较完善，而蛋白质研究就较为困难，至于涉及生物小分子的代 谢组分的研究就更不成熟。因此，要真正实现这种整合还有很长的路要走。 对于多细胞生物而言，系统生物学要实现从基因到细胞、到组织、到个体的 各个层次的整合。科学周刊系统生物学专集中一篇题为“心脏的模型化 从基因到细胞、到整个器官 的论文，很好地体现了这种整合性 8 。我们知道， 系统科学的核心思想是：“整体大于部分之和 ；系统特性是不同组成部分、不 2 中山大学理学硕十学位论文 同层次间相互作用而“涌现的新性质；对组成部分或低层次的分析并不能真正 地预测高层次的行为。如何通过研究和整合去发现和理解涌现的系统性质，是系 统生物学面临的一个带根本性的挑战。 系统生物学整合性的第三层含义是指研究思路和方法的整合。经典的分子生 物学研究是一种垂直型的研究，即采用多种手段研究个别的基因和蛋白质。首先 是在d n a 水平上寻找特定的基因，然后通过基因突变、基因剔除等手段研究基因 的功能；在基因研究的基础上，研究蛋白质的空间结构，蛋白质的修饰以及蛋白 质问的相互作用等等。基因组学、蛋白质组学和其他各种“组学 则是水平型研 究，即以单一的手段同时研究成千上万个基因或蛋白质。而系统生物学的特点， 则是要把水平型研究和垂直型研究整合起来，成为一种“三维”的研究。此外， 系统生物学还是典型的多学科交叉研究，它需要生命科学、信息科学、数学、计 算机科学等各种学科的共同参与。 系统生物学的整合性可以体现在两种不同的策略上 6 。第一种就是胡德和 系统生物学研究所采用的方式，选定一个较为简单的系统，如单细胞生物酵母， 然后分析尽可能多的构成成分基因组、转录组、蛋白质组、相互作用组，以 揭示整个系统的行为。另外一种策略是吉尔曼( a gg i l m a n ) 领导的“信号转 导联军”采用的，以一个较为复杂的系统( g 蛋白介导的和与其相关的细胞信号 转导系统) 为研究对象，采用尽可能多的研究手段去进行分析。 1 3 系统生物学的研究方法及工作流程 1 3 1 研究方法 凡是实验科学都有这样一种特征：人为地设定某种或某些条件去作用于被实 验的对象，从而达到实验的目的。这种对实验对象的人为影响就是干涉 ( p e r t u r b a t i o n ) 。传统生物学采用非干涉方法如形态观察或分类研究生物体。2 0 世纪形成的分子生物学等实验生物学的特点就是，科学家可以在实验室内利用各 种手段干涉生物学材料，如通过诱导基因突变或修饰蛋白质，由此研究其性质和 功能。系统生物学同样也是一门实验性科学，最重要的研究方法也是干涉。 系统生物学中的干涉有这样一些特点 7 。首先，这些干涉应该是有系统性 的。例如人为诱导基因突变，过去大多是随机的；而在进行系统生物学研究时， 3 中山大学理学硕士学位论文 应该采用的是定向的突变技术。上面所提到的对酵母的系统生物学研究，胡德等 人就是把已知的参与果糖代访 的9 个基因逐一进行突变，研究在每一个基因突变 下的系统变化。果蝇从受精开始到形成成熟个体一共有6 6 个典型的发育阶段， 不久前科学家利用基因芯片技术，对每一个发育阶段的基因表达谱进行了系统的 研究。这也是一类系统性的干涉方式。其次，系统生物学需要高通量的干涉能力， 如高通量的遗传变异。现有技术已经能做到在短时间内，把酵母的全部6 0 0 0 多 个基因逐一进行突变。对于较为复杂的多细胞生物，可以通过r n a 干涉新技术 来实现大规模的基因定向突变。随着研究技术的发展，一定还会有许多新的干涉 技术应用于系统生物学。 需要提请人们注意的是，以测定基因组全序列或全部蛋白质组成的基因组研 究或蛋白质组研究等“规模型大科学”，并不属于经典的实验科学。这类工作中 并不需要干涉，其目标只是把系统的全部元素测定清楚，以便得到一个含有所有 信息的数据库。胡德把这种类型的研究称为“发现的科学( d i s c o v e r ys c i e n c e ) ， 而把上述依赖于干涉的实验科学称为“假设驱动的科学”( h y p o t h e s i s d r i v e n s c i e n c e ) ，因为选择干涉就是在做出假设。系统生物学不同于一般的实验生物学 就在于，它既需要“发现的科学 ，也需要“假设驱动的科学”。首先要选择一 种条件( 干涉) ，然后利用“发现的科学”的方法，对系统在该条件下的所有元 素进行测定和分析；在此基础上做出新的假设，然后再利用“发现的科学 研究 手段进行新研究。这两种不同研究策略和方法的互动和整合，是系统生物学成功 的保证。 在注重这两类研究手段的同时，不应该忽略系统生物学的另一个特点对 理论的依赖和建立模型的需求。在本文一开始介绍系统生物学的概况时，特别指 出过，系统生物学的理想就是要得到一个尽可能接近真正生物系统的理论模型； 建模过程贯穿在系统生物学研究的每一个阶段。离开了数学和计算机科学，就不 会有系统生物学。也许正是基于这一考虑，科学家把系统生物学分为“湿”的实 验部分( 实验室内的研究) 和“干的实验部分( 计算机模拟和理论分析) 。 “湿”、“干 实验的完美整合才是真正的系统生物学。 系统生物学的发展正是由于对生物系统的干扰手段不断进步促成的。干涉主 要分为从上到下或从下到上两种。从上到下，即由外至里，主要指在系统内添加 4 中山大学理学硕士学位论文 新的元素，观察系统变化。例如，在系统中增加一个新的分子以阻断某一反应通 路。而从下到上，即由内到外，主要是改变系统内部结构的某些特征，从而改变 整个系统，如利用基因敲除，改变在信号传导通路中起重要作用的蛋白质的转录 和翻译水平。 目前国际上系统生物学的研究方法根据所使用研究工具的不同可分为两类： 一类是实验性方法，一类是数学建模方法。实验性方法主要是通过进行控制性的 反复实验来理解系统。首先明确要研究的系统以及所关注的系统现象或功能，鉴 别系统中的所有主要元素，如d n a 、m r n a 、蛋白质等，并收集所有可用的实 验数据，建立一个描述性的初级模型。系统的复杂性决定了全面分析的复杂性。 人类基因组计划的实施提供了庞大的信息资源，己让人眼花缭乱，而对于较核苷 酸复杂得多的蛋白质及代谢物等的分析将是更大的挑战。如何系统而详尽地为公 共数据库中的信息加上注解，对这些复杂数据进行储存和分析将成为系统生物学 发展的瓶颈。 1 3 2 基本工作流程【6 l 以往的实验生物学仅关心基因和蛋白质的个案，而系统生物学则要研究所有 的基因、所有的蛋白质、组分间的所有相互关系。显然，系统生物学是以整体性 研究为特征的一种大科学，是生物学领域革命性的方法论。以胡德的观点，基因、 蛋白质以及环境之间不同层次的交互作用共同架构了整个系统的完整功能。因 此，用系统的方法来理解一个生物系统应当成为并正在成为生物学研究方法的主 流。利用系统的方法对其进行解析，综合分析观察实验的数据来进行系统分析。 具体通过建立一定的数学模型，并利用其对真实生物系统进行猜测来验证模型的 有效性，从而揭示出生物体系所蕴涵的奥秘，这正是生物学研究方法的关键所在。 系统生物学的基本工作流程有这样四个阶段。首先是对选定的某一生物系统 的所有组分进行了解和确定，描绘出该系统的结构，包括基因相互作用网络和代 谢途径，以及细胞内和细胞间的作用机理，以此构造出一个初步的系统模型。第 二步是系统地改变被研究对象的内部组成成分( 如基因突变) 或外部生长条件， 然后观测在这些情况下系统组分或结构所发生的相应变化，包括基因表达、蛋白 质表达和相互作用、代谢途径等的变化，并把得到的有关信息进行整合。第三步 是把通过实验得到的数据与根据模型预测的情况进行比较，并对初始模型进行修 中山大学理学硕士学位论文 订。第四阶段是根据修正后的模型的预测或假设，设定和实施新的改变系统状态 的实验，重复第二步和第三步，不断地通过实验数据对模型进行修订和精练。系 统生物学的目标就是要得到一个理想的模型，使其理论预测能够反映出生物系统 的真实性。 1 4 本文的结构 本章主要介绍了系统生物学的相关知识，在下面几章，有如下的安排： 第二章生物网络简介。 第三章定性理论及分岔分析。 第四章本文的重点，一类生物系统的动力学分析。 第五章总结和展望。 6 中山大学理学硕士学位论文 第二章生物网络简介【3 】 2 1 基因、蛋白质、细胞1 4 ，5 】 生物体是一个复杂的多分子体系，它的基本单位是细胞( 1 立方毫米可有几 百万个细胞) ，一个细胞内可有数万个基因，它们 ( 1 ) 分别控制不同的生化反应； ( 2 ) 产生无数种类的生命物质； ( 3 ) 保持物质、能量、信息流动的有条不紊。 核酸是最重要的一类生物大分子，是遗传信息的携带者；根据组成核酸的核 苷酸中戊糖种类的不同( 注：核酸是由核苷酸作为基本单位组成的线性聚合物) ， 可将核酸分成两大类：核糖核酸( d e o x y r i b o n u c l e i ca c i d ：d n a ) 和脱氧核糖核 酸( r i b o n u c l e i ca c i d ：r n a ) ；d n a 位于细胞核的染色体中，且具有双螺旋结构； r n a 也具有双螺旋结构，但与d n a 的结构有所不同；d n a 分子首先通过转录， 把遗传信息记录在r n a 分子上，然后通过r n a 模板去直接控制蛋白质的合成。 d n a 在细胞核内转录产生r n a ，它从细胞核进入细胞质。d n a 序列中的脱氧 核糖核酸一共只有4 种：a 、t 、c 、g ，它们之间只有碱基的差别；在d n a 序列中常将一个核酸称为一个碱基：在双螺旋的两股中，对应的核酸( 碱基) 是 配对的，即a 和t ，c 和g 分别配对，它们由氢键来连接。 2 1 1 基因与基因表达 基因( g e n e ) ：遗传信息的基本单位，是染色体d n a 序列中的一段。 大部 分生物体都以d n a 为遗传物质。d n a 含有细胞进行生命活动所需的全部信息， 这种信息被安排在许许多多称作基因的单位中。基因控制着生物可辨别的特征； 决定蛋白质结构的遗传信息；支配编码细胞生长和分裂的指令，从而形成完整的 个体。 基因表达( g e n ee x p r e s s i o n ) ：一个基因产生它编码的蛋白质过程称为基因表 达。基因序列给出了它编码的蛋白的编码：在基因的编码区，每3 个相邻碱基 组成一个氨基酸的编码，例如a t g 是蛋白m 的编码，c u a ，c u t ，c u c ，c u g 都是蛋白l 的编码等。基因序列中还包含了这些蛋白表达的数量、时间、以及 7 中m 大学理学坝士学位论文 表达的组织等信息。一个基因序列上不同的子段和不同蛋白质的组合，得到基因 表达的效果。 2 1 2 蛋白质 蛋白质( p r o t e i n ) ：一类复杂的含氮高分子有机化合物，是我们通常讲到的 生物大分子之一。蛋白质是生命现象的物质基础，它的基奉组成单位是氨基酸； 所有蛋白质都含有碳、氢、氧、硫等元素；蛋白质一般由2 0 余种d 一氨基酸组 成的高分子有机物质。 5 7 ， 转录 jim r n a a u g 译 s t o p 折叠 蛋l i 质序列蛋白质的三维结构 图2 一l ：从基因到蛋白质的表达过程3 1 。 基因和蛋白质有着密切的关系。在一组特定的蛋白质作用下，一个基因被 转录为初级信使r n a ( p r e l i m i n a r ym e s s e n g e rr n a ：p r e m r n a ) ；进一步，在蛋 白质的作用下，p r e - m r n a 被剪切为m r n a ，它是蛋白的编码序列；m i l n a 又 在核糖体的作用下，被翻译成相应的氨基酸序列，并折叠成蛋白( 如图2 一1 ) 。 2 1 3 细胞 细胞( c e l l ) ：由膜包围着含有细胞核( 或拟核) 的原生质组成，是生物体结构 和功能的基本单位，也是生命活动的基本单位；细胞能够通过分裂而增殖，是生 物体发育和系统发育的基础；细胞是遗传的基木单位，具有遗传的全能性；对一 个生物组织，各种细胞中的染色体是相同的。图2 2 显示出真核细胞结构的某 些方面，以及从d n a 到m l n a 再到蛋白质的合成过程。 葛 中m 学理学硕学位论立 除病毒、类病毒等非细胞生命体以外，绝大多数生命有机体的结构和功能单 位都是细胞：细菌、酵母等微生物以单细胞的形式存在，而高等动植物则由多细 胞构成如人大约有3 0 万亿个细胞，这些细胞组成不同的组织和器官。细胞与 细胞之间通过信号通路来连接。细胞外的信号先穿过细胞膜进入细胞质，然后通 过细胞受体进入细胞核来调控目标基因的表达。基因调控在细胞核内进行。 ：m r n a z , 自i 胞 i 核中台成； ，4 蟠 蚓 r n q n a 通过杜 扎进八细胞质 的远础 0 n a 细胞质 圈2 2 ：d n a 、m r n a 和蛋白质是细胞( 包括细胞核和细胞质) 的三大分子 3 2 2 简单基因调控网的调控机f # 1 j 1 3 1 7 1 基因之问的酾控关系构成基因凋控网( 或生化反应网) ，图2 3 显示出单基 因调控网的调控过程，它涉及转录、降解、翻译、传输和结台等。基因调控关系 主要有两种：促进和抑制。为理解方便起见，我们这里解释启动子和调控环路的 概念，肩动子区域( 简称为启动子) 是d n a 的一个片段，是r n a 聚台酶分子 结合的地方，结合之后转录特定基引为m r n a 分子。因此我们可以说一一个离动 子即驱动一个特定基园的转录。转录开始于启动子的f 游( 它是被聚合酶识剐 黪潮 m i q * 目 +；，十， 翱 a 省 一 匿 鬈 i 中m 火学学瑚十学位论j 为转录的起始位点的特别一段d n a ) 。d n a 的化学一段( 已知为开始密码子) 编码基因的区域，并被转化成氨基酸，即蛋白质的构建块。当到被翻译的蛋白能 够和启动子( 它驱动它自己的产物或其它基因的产物) 相互作用时，反馈产生。 这种转录调控是一种被细胞用来控制表达的典型方法，可以是正或负的反馈形 式。当蛋白质通过生化反应网来增强启动子区域里聚合酶的结合时，即增强转录 时，正调控或激活发生( 圈卜4 ( a ) ) 。另一方面负调控或抑制涉及结合在启 动子区域里酶的成块( 图2 4 ( b ) ) 。蛋白质普遍以多聚体( 遍及细胞表演调控 功能的各个阶段) 的形式存在，并服务于d n a 结合蛋白质。典型地，蛋白质以 同质聚台体或异质聚台体来调控转录，这一事实导致基因网络表现出高度非线 性。 等二谚 图2 3 ：单基因调控网络的示意图涉及转录、翻译、阶解、1 七输和结合等过程。 为r 理解噪声的起源，就必须r 斛基因调控过程，进一步，就必须了解基困 表达。一般来说，基因表达是一个复杂的两阶段过程。首先，基凶的d n a 被r n a 聚合酶转录成信使r n a ( 即m r n a ) 储存在d n a 的核苷序列中的信息被拷贝 成储存为m r n a 的核苷序列中的信息。一个被表达的基因能够引出几个m r n a 的抄本；其次，m r n a 被称作核糖体的酶翻译成蛋白质，可储存在m r n a 的核 营序列中的信息被翻译成蛋白质的氮基醴。几个核糖体能够同时结合并翻译单个 的m r n a 。对于细菌，因为它没有核，所以只要m r n a 的部分被转录，翻译就 会发生。 中山大学理学硕士学位论文 o 哭哭。攀 肩动f十 r n a p 口卜q 三三主 _ _ 。n a r n a p 结什他 删划“9 抑 7 e 壹厦i j 圃一o n a r n a p 竹点 ( b ) 启动了 馓活f r n a p j = 篷玉) d n a r n a p 结合位点 ( c ) 图卜4 ：细菌中的基因表达。( a ) r n a 聚台酶结合到启动子旱的自由结台位点。 它初始化转录，并朝基因的d n a 下游运动。只要f n i 己n a 的部分被转录，核糖 体就被结合并开始翻译m r n a 成蛋白质。一旦达到基因的末端，r n a 聚合酶 就从d n a 中解离，但另一个m r n a 可能限制额外的转录。类似地，许多核糖 体常常翻译相同的m r n a 。( b ) 负调控。一个抑制转录因子在启动子区域内有 一个结合位 ，这一位点和r n a 聚合酶的结合位点相重叠。因此，假空u 一个抑 制子被结台，这在物理上会阻碍r n a 聚台酶结合到启动子，这时没有基因表达。 ( c ) j 下调控。对于一个具有弱的r n a 聚合酶的结合位点的基因，转录很少发 生。当到一个激活转录田子也能够结合到启动子时，这将增力r n a 聚合酶结合 的自由能量，因此能够提高转录速率。 d n a 的区域控制着转录及基因表达。细菌里个未调控的基因显示在图2 - - 4 ( a ) 中这里启动子仅包含r n a 聚合酶的一个结合位点。然而，活性有机 体内的几乎所有基因均被调控。转录因予蛋白质是能够结合到启动子区域d n a 的操作位点的。一旦结合，这些蛋白质或是妨碍( 或抑制) 启动子的r n a 聚合 酶的结合( 幽2 4 ( b ) ) ，从而抑制基因的表达( 这时，这种转录吲子蛋白被称 为抑制子) ；或足促进启动子的r n a 聚合酶的结台( 图2 4 ( c ) ) ，从而促进基 因的表达( 这时，这种转录因子蛋白被称为激活子或促进子) 。任何启动子都能 够被抑制子和激活子所结合从而导致基因表达。因此基因表达是转录因子浓度 的高度非线性函数。 更进步的p n a p 控制水平是调控因子结合到d n a 的能力，它可能是另一 中m 大学理学碗学位论文 个分子( 叫做诱导子) 浓度的非线性函数。例如，e s c h e r i c h i ac o l i ( e c o l i , 大肠 杆菌) 里的抽c 操纵子破译酶来输入乳糖并消化它( 冈为操纵于是基凶的集台 ( c o l l e c t i o n ) ，返些基因在d n a 罩被首尾相连地破译其结果都被翻译成单个 的m r n a ) 。在细胞内乳糖缺乏的情l 兄下。操纵子被称为a c 抑制子的转录因子 所压制。假如没有乳糖出现，基因表达非常低。假如某些乳糖进入细胞，它会结 合到a c 抑制子，因此会减低陆c 抑制了结合到d n a 的能力。对于细胞内高量 的乳糖，所有的a c 抑制子都被乳糖所结合，不存在可结台到d n a 的部分，a c 操纵子然后被表达。细胞合成能够消化乳糖的酶，乳糖的水平最终控制表达水平， 但此时诱导子的乳糖需要是高水平的。 托i l i 一一j 丝r i 、i 丛丝石诗 广- 一，? 岫1 i i ! i i ? ；s f i ? 。 。w n + l j j p 。j 一。p + 川jjp r 。，j ，l p 3 ( b ) 图2 5 ( a ) 在基因耦合调控级联( c a s c a d e ) 中，每个连接里关于信息传送或控 制的一个通用耦合反应模型。启动子控制着转录初始化速率，每个转录导致来自 下游摹西的蛋臼质产物的脉冲。任何时刻的信号浓度由蛋白质的产物和损失的积 中山人学理学硕士学位论文 累来决定。一个信号蛋白有效形式的浓度被启动子所感应，在活性结合部位做出 响应。蛋白质信号的活性形式普遍是以多聚体的形式存在，这里我们假定为二聚 体。当然，每种蛋白有双重结合部位也是常见的模块( m o t i f ) 。这里p 并 i p i 表示蛋 白质；p r x 表示蛋白质x 的启动子；p p 等表示二聚体。( b ) 一个具有代表性的自 调控原核基因环路，在一定范围内起着稳定蛋白浓度的作用。在该范围内，许多 调控启动子稳定地被激活或抑制。 为了理解原核蛋白产物的形成机制，我们这里再给出某些细化的过程 1 9 。 图2 5 是一种典型的模型。图2 _ 5 ( a ) 表示单基因p 及其相应的启动子p r p 的生化过程，这里基因p 产生蛋白质p ，而此蛋白质被迅速地二聚化，生成二聚 物p p 。一方面，它会降解；另一方面，它会作用于p 的位点。同时，外部控制 信号会作用或调控基因p 的启动子( 区域) 。在图2 5 ( b ) 中，第一个基因产 物的多聚体( 这里假定为二聚合物) ，一方面它会抑制另一个基因的产物，另一 方面也会激活或促进第三个基因的产物，同时通过作用于它自己的启动子区域， 也会抑制自己的产物，从而形成负反馈。 大多数细菌里的转录因子是由两个相同但结合在一起的蛋白质( 如二聚物) 所组成，有时是四个结合在一起。这些多聚体帮助d n a 结合位点的识别，并贡 献于基因表达的非线性性。在多聚体中的每个蛋白能够潜在地结合到诱导子，并 且通过已知为变构相互作用机制，使得多聚体里诱导子对某一蛋白的结合来增加 多聚体里诱导子对另一个蛋白结合的概率。这样一来，实现从能够结合到d n a 到不能够结合d n a 的转移，此时转录因子可能是诱导子浓度非常陡的s i g m o i d a l 函数。这种非线性被参考为协作性，这是因为一个蛋白和另一个蛋白相互协作地 帮助它结合到诱导子。 所有上述过程均是生化反应的，因此具有潜在