圖為該期細(xì)胞雜志的封面,。左側(cè)的兩個大藥瓶對應(yīng)著馬文喆等人發(fā)現(xiàn)的兩類主要的適應(yīng)性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
北京大學(xué)理論生物學(xué)中心湯超教授課題組和加州大學(xué)舊金山分校Wendell Lim教授課題組合作,，在最新的一項研究中揭示了生物適應(yīng)性在生物網(wǎng)絡(luò)層次上是如何實(shí)現(xiàn)的,。該研究所發(fā)現(xiàn)的規(guī)律性可能在生物系統(tǒng)中具有普適性，將有助于加深對于生物系統(tǒng)復(fù)雜性的認(rèn)識,。
近日這一研究成果已作為封面文章刊登在國際一流雜志《細(xì)胞》上（Defining network topologies that can achieve biochemical adaptation. Wenzhe Ma, Ala Trusina, Hana El-Samad, Wendell Lim, and Chao Tang. (2009) Cell, 138, 760－773）,。《細(xì)胞》雜志專門為此配發(fā)了評論,。該論文的第一作者馬文喆博士（合作導(dǎo)師為湯超教授和歐陽頎教授）是北京大學(xué)理論生物學(xué)中心與加大舊金山分校聯(lián)合培養(yǎng)的博士后,。馬文喆博士2007年7月畢業(yè)于北京大學(xué)，是北京大學(xué)理論生物學(xué)中心正式招收的第一批跨學(xué)科研究生,。
生物體生活在一個不斷變化的環(huán)境中,，如何適應(yīng)新的環(huán)境是生物體保證自身生存的需要，這一特性可以廣義地稱為生物體的適應(yīng)性,。而生物界的另一個引人入勝的特征則是具有多樣性,。這種多樣性不僅對應(yīng)于我們可以看到的生物表型，也同時存在于導(dǎo)致表型的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)上,。具體來說,，執(zhí)行同一種功能的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)可以對應(yīng)于千差萬別的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這種生物的多樣性給科學(xué)研究帶來了很大的困難,。
在該工作中,，馬文喆博士等人在理論上研究了酶調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)性問題。通過在理論上窮舉所有可能的簡單調(diào)控網(wǎng)絡(luò),，他們首先發(fā)現(xiàn)了很多具有適應(yīng)性的網(wǎng)絡(luò),，這一點(diǎn)與生物中的多樣性是一致的。但是在具體的分析了這些具有適應(yīng)性的網(wǎng)絡(luò)之后,，他們驚奇地發(fā)現(xiàn)所有這些具有適應(yīng)性的網(wǎng)絡(luò)都可以被分為兩大類,。首先可以在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上進(jìn)行分類：第一類網(wǎng)絡(luò)包含兩條符號相反的從輸入到輸出的信號通路（不一致前饋回路）；而另一類網(wǎng)絡(luò)不包含前饋回路,，卻包含至少一個負(fù)反饋回路,。這種結(jié)構(gòu)分類同時也對應(yīng)著網(wǎng)絡(luò)中關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)不同的功能。在不一致前饋回路中一定要有一個控制節(jié)點(diǎn)對輸入輸出進(jìn)行成比例的調(diào)控,；而在負(fù)反饋回路中一定要有一個進(jìn)行積分調(diào)控的控制節(jié)點(diǎn),。
這項研究表明，在復(fù)雜的生物現(xiàn)象背后很可能存在著普適的規(guī)律性,。該研究結(jié)果可以作為參照標(biāo)準(zhǔn)來判斷已知的適應(yīng)性網(wǎng)絡(luò)是否包含了必要的元素,，是否完整；也可以用于指導(dǎo)合成生物學(xué)研究來構(gòu)建新的具有適應(yīng)性的網(wǎng)絡(luò)。（生物谷Bioon.com）
生物谷推薦原始出處：
Cell, 21 August 2009 doi:10.1016/j.cell.2009.06.013
Defining Network Topologies that Can Achieve Biochemical Adaptation
Wenzhe Ma1,2,3,Ala Trusina2,3,Hana El-Samad2,4,Wendell A. Lim2,5,,andChao Tang1,2,3,4,,
1 Center for Theoretical Biology, Peking University, Beijing 100871, China
2 California Institute for Quantitative Biosciences, University of California, San Francisco, CA 94158, USA
3 Department of Bioengineering and Therapeutic Sciences, University of California, San Francisco, CA 94158, USA
4 Department of Biochemistry and Biophysics, University of California, San Francisco, CA 94158, USA
5 Howard Hughes Medical Institute and Department of Cellular and Molecular Pharmacology, University of California, San Francisco, CA 94158, USA
Many signaling systems show adaptationthe ability to reset themselves after responding toa stimulus. We computationally searched all possible three-node enzyme network topologies to identify those that could perform adaptation. Only two major core topologies emerge as robust solutions: a negative feedback loop with a buffering node and an incoherent feedforward loop with a proportioner node. Minimal circuits containing these topologies are, within proper regions of parameter space, sufficient to achieve adaptation. More complex circuits that robustly perform adaptation all contain at least one of these topologies at their core. This analysis yields a design table highlighting a finite set of adaptive circuits. Despite the diversity of possible biochemical networks, it may be common to find that only a finite set of core topologies can execute a particular function. These design rules provide a framework for functionally classifying complex natural networks and a manual for engineering networks.For a video summary of this article, see the PaperFlickfile with the Supplemental Data available online.
