生物鲁棒性的研究进展

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1、万方数据生物物理学报第二十三卷ACTABIoPHYSICASDⅡCA第五期二oO七年十月V01．23No．5Oct．2007生物鲁棒性的研究进展朱炳，包家立，应磊C浙江大学医学院，浙江省生物电磁学重点实验室，杭州310058)摘要：生物鲁棒性是指在受到外部扰动或内部参数摄动等不确定因素干扰时，生物系统保持其结构和功能稳定的一种特性。目前已经发现生物鲁棒性普遍存在于生物系统整体，器官、细胞、分子等各种层次，如细菌趋化、细胞周期、细胞信号通讯，基因突变，生物发育、基因网络等等．产生生物鲁棒性的作用机制主要是生物系统的反馈．冗余．模块和结构稳定等．稳定鲁棒性和品质鲁棒性是生物鲁棒性研究的两个

2、重要命题，数学模型是生物鲁棒性研究的重要手段。认识生物鲁棒性对癌症、A玎)s、糖尿病等疾病的发生，发展和治疗有重要意义。文章从上述几个方面综述了生物鲁棒性的研究进展．关键词：生物鲁棒性；稳定性；鲁棒度中图分类号：Q811-30引言生物鲁棒性是生物系统整体特性中的一种，它指一个生物系统在受到外部扰动或内部参数摄动等不确定因素干扰时，系统仍保持其结构和功能稳定的一种性质。生物体总是处在变化的环境中，但是它可以保持一个相对稳定的内环境，使其在各种环境下都能生存，因此，生物鲁棒性最能体现在生物体对环境的适应上。生物鲁棒性是可以观测到的一种系统特性【1】，如在细菌趋化刚、细胞周期【4】、细胞信号

3、通讯【5】、基因突变旧、生物发育【刀、基因网络【蜘等中；在疾病的发生、发展和治疗中，如癌症治疗[9．10I、代谢综合症治疗[1l】等等也存在生物鲁棒性。近10年来，关于生物鲁棒性的研究成果多次在《自然》杂志上出现旧，表明人们已经对生物鲁棒性研究的重要性有了一定的认识，生物鲁棒性是生物领域中一个潜在的研究方向。生理现象中的生物鲁棒性细菌趋化是指细菌的一种定向移动，是其适应环境变化而生存的一种基本属性，它使细菌具有寻找食源和逃避毒性环境的能力，在生存上具有竞争优势。细菌可以适应化学诱导剂在一个较宽浓度范围内的变化，并且总是根据化学诱导剂浓度的变化来调节自身行为。这一过程是通过由图1所示的闭

4、环反馈环路实现的闭。趋化配体与特异受体McP结合形成由蛋白CheA和Chcw组成的稳定复合物，CheA是磷酸化调节因子酶，CheY结合到鞭毛马达并产生变动，结合到受体上的配体由CheA的激酶修正变动频率，受体也可逆地甲基化，甲基化促使酶激活并且自适应配体的浓度变化。两种蛋白在自适应过程中，一种是CheR甲基化，另一种是CheB去甲基化，CheA间接CheB磷酸化的反馈机制促进了去甲基化。这种能够适应配体浓度变化的反馈机制已经通过实验和仿真得到了证实。尤其是在配体浓度突发变化时，以频率来衡量的平均激活水平会快速地会聚到一个稳定值。这意味着系ⅣPUT(1jgand)夕．．．．．。‘、．．．

5、·．▲收稿日期：2007．04-23通讯作者：包家立，电话：(0571)8820817l，E-mail：b删l@2ju．edu．饥万方数据358生物物理学报2007年统仅靠感受配体浓度的剧烈变化来决定其频率，但是它对配体浓度绝对值不敏感。因此，不论浓度的绝对值是多少，只要不使其感觉系统饱和，系统总可以感受到并控制自身向高浓度诱导剂的区域移动。vonDassow等【8】用计算机模拟研究了体节极性基因之间已知的相互作用是否影响发育的特性。体节极性基因网络生化反应途径由近50个包括mR．NA和蛋白质的半生命期、结合率、协同系数等独立参数的动态微分方程组成，这些参数是未知的，并且跨越几个数量级

6、。模型中每一个参数的设置称为问题解，在240000个随机选择的参数中，发现有1192个解，出现最多的有48个参数，这些参数占了90％的几率，大部分参数值相差几个数量级。如果模型承受lO％的参数在lO肚l000倍之间变化，只能够在1048个随机选择中找到一个解。这样的结果充分表明体节极性基因网络中支配其行为的动力学参数的摄动对系统整体特性影响不大。之后，他们用同样的方法建立果蝇核神经网络三种大范围参数变化的试验模式，推测对基因网络进化适应性来说，参数波动的范围可能是必须的【14】。P53蛋白相互作用网络在细胞周期和细胞凋亡的调控中至关重要。D衲en等[I田运用数学中的图论建立了P53的复

7、杂网络。网络主要是依赖调节图托gul盯)和随机图(r锄dom)，调节图是所有具有相同等级的节点图，随机图是在两个节点之间建立的概率，概率分布是Poisson分布。生物体对于这个网络中多数蛋白的功能缺失具有鲁棒特性，维持了细胞正常的生长增殖。入噬菌体是研究基因鲁棒性很好的模式生物，这是因为入噬菌体基因表达谱、调节蛋白、结合位点以及相互作用都是已经非常清楚的旧。入噬菌体选择溶菌作用还是保持溶源性状态是由基因和蛋白相互作用网络控制的。在这个控制网络中