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              科研進展

              深圳先進院揭示振蕩-抗噪雙功能生物網絡的設計原理

              發布時間:2022-09-27 來源:深圳先進技術研究院

                  作為生命體的內在時鐘,生物震蕩的精確性對于信號轉導、基因調控以及細胞周期等生命過程至關重要。然而,在存在環境和自身噪聲的情況下,生物網絡如何實現精確振蕩還尚不明確。 

                2022年9月20日,北京大學北京國際數學中心/定量生物學中心張磊課題組與中國科學院深圳先進技術研究院合成所/北京大學定量生物學中心魏平課題組在eLife合作發表了題為“Network design principle for robust oscillatory behaviors with respect to biological noise” (DOI:10.7554/eLife.76188) 的研究論文,提出了振蕩-抗噪雙功能生物網絡的設計原理。 

                  

               

                文章上線截圖 

                文章鏈接:https://doi.org/10.7554/eLife.76188 

                  

                首先,研究者遍歷所有兩結點和三結點的轉錄調控網絡拓撲并模擬不同參數下的動力學行為來探索精確振蕩實現。研究發現,無論在何種噪聲來源下,相比于其他四類能夠實現振蕩的網絡拓撲,同時具有抑制振蕩子(repressilator)和自激活(positive auto-regulation)的三結點網絡拓撲能較穩健地實現精確振蕩,并且自激活是增加精確其振蕩穩健性的關鍵(圖1)。

               

               

                1. 計算模擬提示網絡拓撲通過周期和振幅分別影響在外源性和內源性噪聲下的振蕩精確性 

                  

                通過對比不同穩健性網絡的動力學行為,研究者發現網絡拓撲對不同來源噪聲的衰減機制不同:對于外源性噪聲,抗噪性好的網絡通常具有長周期,而抗噪性差的網絡周期較短;對于內源性噪聲,抗噪性好的網絡通常具有高振幅,而抗噪性差的網絡振幅較?。▓D 1)。研究者引入兩個尺度參數實現對周期和振幅的獨立控制,并通過理論分析證實長周期和高振幅分別衰減外源性噪聲和內源性噪聲(圖 2)。  

                  

               

                2. 理論分析證實長周期和高振幅分別衰減外源性和內源性噪聲 

                  

                最后,研究者采用合成生物學方法構建了三種不同拓撲結構的NF-κB振蕩網絡,以驗證網絡拓撲對振蕩精確性的影響(圖3)。研究發現,在兩結點激活-抑制振蕩子(activator-inhibitor oscillator)的網絡拓撲中增加調控邊使其成為帶有自激活的抑制振蕩子后,振蕩精確性提高,從而從實驗上證實了帶有自激活的抑制振蕩子在實現精確振蕩的穩健性。 

                  

                3. 實驗驗證網絡拓撲對于噪聲的影響 

                  

                該工作鑒定出帶有自激活的抑制振蕩子為穩健實現精確振蕩的網絡拓撲,揭示了長周期和高振幅分別作為衰減外源性噪聲和內源性噪聲的機制,有助于理解生命系統如何在噪聲存在的情況下實現精確振蕩,并且為人工合成精確振蕩的網絡提供了理論依據。期刊責任編委評價:“This work makes an important contribution to the field as it offers the first comprehensive survey of networks motifs capable of oscillation, with further characterization of their robustness.” 

                北京大學2020屆博士畢業生喬靈霞(現加州大學圣地亞哥分校博士后)、北京大學生命科學聯合中心2019屆博士畢業生張志博(現康奈爾大學博士后)、2020屆博士畢業生趙偉(現加州大學爾灣分校博士后)為該論文的共同第一作者,北京大學張磊副教授和中國科學院合成所魏平研究員為論文的共同通訊作者。 

                研究得到國家自然科學基金委員會、科技部生物與信息融合(BT與IT融合)重點研發計劃等項目的資助。 


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