【摘 要】
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基因调控网络是系统生物学的重要研究内容.由于自然发生的调控网络过于复杂,设计和构造一些简单的合成基因调控网络为我们理解细胞的内部过程和生命现象提供了广阔的前景.一些简单的网络模块对于特殊的局部调控回路给出了良好的描述,然而更为重要更具挑战性的是如何理解它们作为更复杂系统的单元来发挥整体的作用,从而刻画整个生物体的行为.这篇文章详细地研究了两类通过群体感应机制耦合的具有顺式调控模块的压制振动子多细胞
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基因调控网络是系统生物学的重要研究内容.由于自然发生的调控网络过于复杂,设计和构造一些简单的合成基因调控网络为我们理解细胞的内部过程和生命现象提供了广阔的前景.一些简单的网络模块对于特殊的局部调控回路给出了良好的描述,然而更为重要更具挑战性的是如何理解它们作为更复杂系统的单元来发挥整体的作用,从而刻画整个生物体的行为.这篇文章详细地研究了两类通过群体感应机制耦合的具有顺式调控模块的压制振动子多细胞系统的动力学行为,使用XPPAUT和MATLAB软件对系统进行分叉分析和数值模拟.在第一类基因调控网络中,细胞内外信号以ANDN型逻辑组合调控目标基因,研究了信号整合、希尔系数以及细胞数目的变化对系统动力学行为的影响;在另一类基因调控网络中,细胞内外信号以ORN型逻辑组合调控目标基因,研究了信号整合对系统群体动力学的影响.主要取得了如下成果:(1)研究了ANDN型细胞内外信号整合对多细胞系统群体行为的影响.对于两个振子组成的系统时,取顺式调控函数的参数μ作为分叉参数,进行分叉分析以及数值模拟,发现:希尔系数的改变会使系统的动力学结构发生改变.随着μ的增大,当n较小时,系统可以呈现同质平衡态、异质平衡态和反相对称振动,当n增加时,除了上述的动力学现象,系统还出现新的动力学现象――反相不对称振动和类似于异质极限环的振动,其中还出现了多种动力学状态共存的现象,如:两种平衡态的共存、异质平衡态和反相对称振动的共存,反相对称振动和反相不对称振动的共存.对于多个(N>2)振子组成的系统,研究发现细胞数目的增加会扩大平衡态聚类的吸引域,并且使得平衡态聚类表现形式以及它们之间的共存类型会更加丰富.(2)研究了ORN型的细胞内外信号整合对多细胞系统群体行为的影响,发现顺式调控模块对多细胞系统实现同步以及聚类起到了非常重要的作用.顺式调控函数里的关键参数的变化可以导致耦合类型发生变化:从相吸引耦合到相排斥耦合或者是从相排斥耦合到相吸引耦合;这两种不同的耦合方式,导致系统呈现不同的细胞图案,例如:同步、平衡聚类、非平衡聚类等有趣的动力学现象.这些研究有助于我们理解多细胞生物的节律行为、细胞图案的形成、细胞分化和对环境的适应性等现象的生物物理机制,为今后总结生物网络的设计原理提供理论支持.
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