生物钟是生物体内负责维持昼夜节律的系统,具有内源性、可调节性和温度补偿效应等特性。生物钟由内禀的信号转导网络生成周期接近24小时的振荡,通过感受外界刺激对时钟的周期和相位进行调节,使之与环境保持一致,并且由核心网络中的转录因子调控下游时钟控制基因,进而将调节信号传至其他系统,达到调控相应生理活动的目的。活性氧(ROS)作为细胞内一种重要的代谢产物和信号分子,与生物钟有复杂的交互作用。本文通过理论建模和数值模拟,研究了粗糙脉孢菌生物钟对ROS信号的响应机制,结合网络动力学描述了由ROS引起的生物钟周期和相位变化。这是首次通过对实验测定的孤立相互作用进行整合,比较全面的建立了脉孢菌生物钟与ROS的交互作用模型,并且通过参数分析等手段,比较了不同作用之间,特别是翻译后修饰与转录调控在影响生物钟现象上的差异。全文分为四章。在第一章中,我们简要介绍了生物钟和ROS的相关背景。包括生物钟的研究历史,功能以及反馈网络模型,研究进展和问题;ROS的种类、调控作用以及在粗糙脉孢菌生物系统中,ROS与生物钟之间的具体相互作用。在第二章中,我们对ROS与粗糙脉孢菌生物钟之间的相互作用进行了理论建模,并且与相关实验数据进行比对。实验发现,ROS主要通过促进磷酸酶PP2A的活性,促进转录因子WCC结合到frq基因以及抑制WC-1与WC-2结合形成WCC复合物等三种方式影响生物钟。生物钟也能够通过调节下游抗氧化蛋白,如过氧化氢酶的表达来抑制细胞内的活性氧含量。我们将这些相互作用进行了整合,构造ROS与生物钟的交互作用模型,在确定性和随机性条件下,计算了生物钟周期、相位等特性,验证了模型的可信度。在第三章中,我们数值求解理论模型,重现了 ROS引起周期和相位变化等实验现象,并对其机制进行了讨论。实验发现,在持续黑暗条件下,通过外加药物或基因突变方式提高细胞ROS水平后,生物钟的内禀周期会缩短;而在周期性光照条件下,改变ROS含量,生物钟的相位也会发生移动。但是这些现象背后的原理,以及ROS与生物钟之间种种交互作用的特性还是未解决的问题。为此,我们通过模拟实验条件(比如调节参数值),定量重现了实验观察到的周期、相位变化等现象。我们发现,ROS通过PP2A影响生物钟的途径占据主导地位。其余两种相互作用在导致周期、相位变化时则呈现相拮抗的趋势。这些结果提示,ROS可能主要通过影响生物钟核心分子的磷酸化状态来调节其周期和相位,而影响WCC与靶基因的结合能力以及WC-1与WC-2复合的两种相反作用则可能作为一种补充和稳定的机制。这使得生物钟既能对ROS信号做出及时有效的响应,也能够防止系统对刺激信号产生过度反应导致混乱。这类调控机制也体现了翻译后修饰与转录调控这两种调节方式在生物系统中的不同意义。第四章中,我们对本文的主要研究结果做了总结,并对未来的工作提出了展望。