分子生物學(xué)：第十六章 生物系統(tǒng)內(nèi)的分子作用

1、第十六章 生物系統(tǒng)內(nèi)的分子作用網(wǎng)絡(luò) 第一節(jié) 分子作用網(wǎng)絡(luò)概述生命網(wǎng)絡(luò), 就是生命系統(tǒng)中形態(tài)與功能上特化的細胞集團之間, 以及各種生物大分子在組合上相互關(guān)聯(lián)的結(jié)構(gòu)形式； 它相互聯(lián)系并跨越生命系統(tǒng)各層次, 使生命運動呈現(xiàn)組織性、確定性、穩(wěn)定性、協(xié)調(diào)性的功能； 它是生命系統(tǒng)細胞與細胞內(nèi)、外環(huán)境之間進行物質(zhì)、能量、信息轉(zhuǎn)換的渠道。 基序網(wǎng)絡(luò)的“關(guān)系單元” “網(wǎng)絡(luò)基序”（network motif） 某些特定的關(guān)系種類在網(wǎng)絡(luò)中反復(fù)出現(xiàn)，形成網(wǎng)絡(luò)的典型連接方式；不同類型的網(wǎng)絡(luò)具有不同的典型連接方式。研究者把這些特定的關(guān)系種類稱為“網(wǎng)絡(luò)基序”，認為它們是一個網(wǎng)絡(luò)的基本構(gòu)造單元。 大腸桿菌轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中最常出

2、現(xiàn)的基序有三種 第一種被稱為“前饋環(huán)”（feedforward loop） 第二種是“單輸入模式”（single input module） 第三種基序被稱為“高重疊調(diào)控”（dense overlapping regulon）型 “前饋環(huán)”（feedforward loop）：轉(zhuǎn)錄因子X作用于第2個轉(zhuǎn)錄因子Y，X和Y兩個因子共同調(diào)節(jié)操縱子Z的表達。該網(wǎng)絡(luò)中有40個操縱子屬于這種前饋環(huán)基序。前饋環(huán)可以使操縱子只對持續(xù)出現(xiàn)的轉(zhuǎn)錄信號起反應(yīng)?！皢屋斎肽Ｊ健保╯ingle input module），即一個轉(zhuǎn)錄因子控制一系列相關(guān)的操縱子。這種基序可以用一個信號控制所有相關(guān)的操縱子，使之產(chǎn)生同樣的正調(diào)節(jié)

3、反應(yīng)或同樣的負調(diào)節(jié)反應(yīng)。單輸入模式基序在大腸桿菌的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中影響著68個操縱子，大多是涉及代謝或蛋白質(zhì)裝配的途徑?！案咧丿B調(diào)控”（dense overlapping regulon）型。大腸桿菌內(nèi)近一半的操縱子都是建立在這種調(diào)控關(guān)系下，即一組轉(zhuǎn)錄因子對多個操縱子采用相互重疊的、密集的控制方式。模塊網(wǎng)絡(luò)的“結(jié)構(gòu)單元” 生物大分子如蛋白質(zhì)之間常常發(fā)生非常緊密的相互作用，并形成具有明確空間形態(tài)的復(fù)合物。這種由許多分子相互結(jié)合形成的，有著穩(wěn)定結(jié)構(gòu)和功能的復(fù)合體，稱為“模塊”（module）。 模塊有兩個顯著特征： 模塊內(nèi)的分子與分子間有著直接的相互作用； 模塊與模塊或模塊與非模塊之間有著清晰的邊界。

4、細胞內(nèi)的模塊并不是固定不變的“積木塊”。它們通常在某個時空狀態(tài)下聚合，以完成特定的功能，然后再解離。 網(wǎng)絡(luò)生物系統(tǒng)的基本形式 現(xiàn)在的研究表明，在細胞內(nèi)的各種代謝途徑和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路之間，都有著廣泛的相互作用，從而形成了具有二個以上的輸入和輸出的結(jié)構(gòu)，稱為“網(wǎng)絡(luò)”（network）。網(wǎng)絡(luò)是一個含義比較廣泛的概念。在許多文獻中，網(wǎng)絡(luò)常常被視為系統(tǒng)本身。但在生物學(xué)家看來，網(wǎng)絡(luò)通常只是生物系統(tǒng)的基本組成部分，負責(zé)一種特定的功能，例如細胞系統(tǒng)內(nèi)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)、代謝網(wǎng)絡(luò)等。 代謝網(wǎng)絡(luò)無尺度網(wǎng)絡(luò)示意圖 許多自然狀態(tài)下的網(wǎng)絡(luò)還表現(xiàn)出一種特別的屬性：少數(shù)節(jié)點的連接數(shù)遠高于平均的節(jié)點連接數(shù)。這類網(wǎng)絡(luò)被稱為“無尺度網(wǎng)

5、絡(luò)”（scale-free network）（左圖），屬于高度非均一性的網(wǎng)絡(luò)。它具有真實網(wǎng)絡(luò)中最常見的兩個特性：增長（growth）和偏好連接（preferential attachment）。第一個特點表明無尺度網(wǎng)絡(luò)可以不斷地擴張。第二個特點則意味著兩個節(jié)點連接能力的差異可以隨著網(wǎng)絡(luò)的擴張而增大；最初連接較多的節(jié)點可以形成更多的連接，即“富者愈富”。 第二節(jié) 生命網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式及其自組織特征 人體有三種主要的生命網(wǎng)絡(luò)。這三種網(wǎng)絡(luò)都屬于分子網(wǎng)絡(luò)。一是分子基因網(wǎng)絡(luò), 依靠細胞核中的DNA 分子的特定結(jié)構(gòu)與編碼,以及程序性地表達生命的指令, 決定人體系統(tǒng)的發(fā)育、生長和各種功能, 是關(guān)系到生命各層次活

6、動的核心網(wǎng)絡(luò)。二是細胞代謝網(wǎng)絡(luò), 它完成人體生命物質(zhì)的合成、分解、轉(zhuǎn)化、利用、排泄等復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過程。三是細胞信息傳遞網(wǎng)絡(luò), 它是一個通過化學(xué)信息分子調(diào)節(jié)細胞代謝、生長、繁殖和對刺激進行應(yīng)答, 起著細胞內(nèi)以及細胞之間通訊和信息交流作用的網(wǎng)絡(luò)。三種網(wǎng)絡(luò)相互聯(lián)系、相互影響, 共同執(zhí)行生命活動的機能。 生命網(wǎng)絡(luò)形成的自組織機制 生命網(wǎng)絡(luò)是在基因調(diào)控下按照“程序(目的)性”原理自組織形成的 細胞信息分子及細胞周圍環(huán)境使胚胎初始細胞分化為具有生命網(wǎng)絡(luò)的有機體 生命網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)形式 生命網(wǎng)絡(luò)基本構(gòu)件 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是一種關(guān)聯(lián)性結(jié)構(gòu), 其基本構(gòu)件由節(jié)點和連接物組成。無數(shù)的節(jié)點通過其節(jié)點間的連接物相互交聯(lián), 形

7、成網(wǎng)狀。在人體三種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中, 節(jié)點和連接物由生命系統(tǒng)中不同的物質(zhì)來承當。 耦合反饋式回路結(jié)構(gòu)是生命網(wǎng)絡(luò)的基本形式 生命網(wǎng)絡(luò)的基本特征 生命網(wǎng)絡(luò)是自組織的“確定性”結(jié)構(gòu), 它賦予生命以秩序 生命網(wǎng)絡(luò)是動態(tài)的、自穩(wěn)的結(jié)構(gòu) 生命網(wǎng)絡(luò)間的非線性相互作用使生命系統(tǒng)處于優(yōu)化狀態(tài)第三節(jié) 研究分子作用網(wǎng)絡(luò)的學(xué)科系統(tǒng)生物學(xué)系統(tǒng)生物學(xué)的核心是整體性研究和系統(tǒng)性研究，有別于迄今為止所有其它生物學(xué)分支學(xué)科的思維和研究方式，是一種嶄新的思想，是一門近幾年來活躍發(fā)展的生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的前沿學(xué)科。它不同于過去幾十年的還原式研究方法，不是以單個基因或單個蛋白為研究對象，而是以多個生物大分子，如多基因、多蛋白組成的生物網(wǎng)絡(luò)作為研

8、究對象，探討生物分子之間如何通過動態(tài)地相互作用完成特定的生物功能。 系統(tǒng)生物學(xué)所研究的對象 以整合為靈魂，以數(shù)字化信息為基礎(chǔ)的系統(tǒng)生物學(xué)研究可達到“假設(shè)驅(qū)動研究”與對生物組分、motifs 、pathways和相互作用的發(fā)現(xiàn)，亦稱發(fā)現(xiàn)的科學(xué)（discovery research）相結(jié)合，不同研究體系相結(jié)合，不同研究策略相結(jié)合，對生物系統(tǒng)的理論模擬與實驗研究相結(jié)合，以及不同學(xué)科的交叉結(jié)合。 系統(tǒng)生物學(xué)的主要技術(shù)平臺 基因組學(xué)轉(zhuǎn)錄組學(xué)蛋白質(zhì)組學(xué)代謝組學(xué)相互作用組學(xué)表型組學(xué)等系統(tǒng)生物學(xué)對未來生物學(xué)的沖擊 系統(tǒng)生物學(xué)將不僅推動生命科學(xué)和生物技術(shù)的發(fā)展，而且對整個國民經(jīng)濟、社會和人類本身產(chǎn)生重大和深遠的

9、影響。 系統(tǒng)生物學(xué)研究方法將在藥物的研發(fā)中發(fā)揮著越來越重要的作用。系統(tǒng)生物學(xué)研究方法和技術(shù)將有利于對復(fù)雜性疾病的認識，并大大促進未來的藥物研發(fā)和臨床實驗。 第四節(jié) 基因網(wǎng)絡(luò) 隨著DNA 芯片和分子陣列技術(shù)的應(yīng)用, 快速檢測生物基因組的表達已成為可能。在生命科學(xué)領(lǐng)域, 基因網(wǎng)絡(luò)作為一種系統(tǒng)的、定量的研究方法正在受到重視, 該方法建立在分子生物學(xué)、非線性數(shù)學(xué)和信息學(xué)等多學(xué)科交叉的基礎(chǔ)上 ?；蚓W(wǎng)絡(luò)的研究內(nèi)容 基因網(wǎng)絡(luò)的原理用帶有反饋回路的基因網(wǎng)絡(luò)有效地處理基因表達的大量數(shù)據(jù) 首先是按照表達以及表達強度的變化, 系統(tǒng)地識別各基因的特點, 再用聚類的方法將各基因歸類, 在此基礎(chǔ)上構(gòu)建基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò), 分

10、析相關(guān)的控制參數(shù)。 基因網(wǎng)絡(luò)的基本特性分析 基因網(wǎng)絡(luò)在本質(zhì)上是一個連續(xù)的動態(tài)系統(tǒng), 即動力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò), 考慮到簡化問題求解的需要, 有些基因網(wǎng)絡(luò)可表示為離散型系統(tǒng), 有些則可表示為布爾型的。 布爾型基因網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是指基因及其產(chǎn)物的表達狀態(tài)只有“開-關(guān)”兩種狀態(tài), 而所謂離散型網(wǎng)絡(luò)是界于動力系統(tǒng)模型和布爾網(wǎng)絡(luò)模型之間?；蚓W(wǎng)絡(luò)具有穩(wěn)定性, 即基因網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能夠通過自動調(diào)節(jié)達到穩(wěn)定。 基因網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用 基因網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)研究的一個重要方面是定量地描述生物個體的發(fā)育過程。 目前, 科學(xué)家已經(jīng)對一些模式生物的生長發(fā)育現(xiàn)象進行了基因網(wǎng)絡(luò)的分析和模擬, 涉及微生物, 動物和植物, 并且得到了一些重要的結(jié)論。 第五節(jié) 蛋

11、白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)的負反饋控制及其建模生物系統(tǒng)具有魯棒抵御外界干擾而維持自身性能穩(wěn)定的特征。細胞中分子相互作用負反饋環(huán)是系統(tǒng)魯棒控制的主要機理之一。 魯棒性(robustness)是生物系統(tǒng)穩(wěn)定性的基本保證，魯棒性指的是系統(tǒng)抵御外在或內(nèi)在干擾而維持系統(tǒng)正常行為的能力。 魯棒系統(tǒng)表現(xiàn)出來的性質(zhì)可以分為三類：1）適應(yīng)性，表示系統(tǒng)應(yīng)對環(huán)境變化的能力 ；2）參數(shù)不敏感性，表示系統(tǒng)對特定動力學(xué)參數(shù)的相對不敏感性 ；3）緩慢退化性，表示系統(tǒng)在損傷（非災(zāi)難性失效）下系統(tǒng)功能特性的緩慢衰減。魯棒性通過冗余、系統(tǒng)控制、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和模塊性保持系統(tǒng)的穩(wěn)定。 魯棒性的原因主要有三個方面：(1) 存在系統(tǒng)的負反饋控制；(

12、2) 冗余,例如細胞的周期控制；(3) 模塊化,系統(tǒng)功能是由存在相互作用的多個模塊相互通信來完成的。負反饋環(huán) 基因及其翻譯產(chǎn)物形成的負反饋 兩種蛋白之間形成負反饋有機體中存在許多這樣的負反饋控制 負反饋環(huán)的作用 消除外部或內(nèi)部的干擾 控制生理功能正常實現(xiàn) 第八節(jié) 細胞復(fù)雜信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的調(diào)控模式越來越多的證據(jù)表明,細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑之間存在著各種各樣的相互通訊(crosstalk) ,由此形成了復(fù)雜的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)。特定的輸入信號在通過這一網(wǎng)絡(luò)傳輸信號時,信號的強度或/ 和時間會被修飾或調(diào)控,從而引發(fā)不同的生理效應(yīng)。通過對細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)的研究,能使我們更好的理解信號轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)改變所引發(fā)的病理過程,更好的

13、理解腫瘤、糖尿病、精神病等疾病的發(fā)病機理。 雙穩(wěn)調(diào)控模式 最簡單的雙穩(wěn)調(diào)控模式由兩條相互影響的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑組成,其間存在正反饋循環(huán),量-效曲線呈“S”形。當輸入信號的強度較低、作用時間較短時,信號的輸出表現(xiàn)為“S”曲線的下半段,即處于基態(tài)；只有當輸入信號的強度和時間達到或超過一定的閾值以后,信號的輸出發(fā)生“翻轉(zhuǎn)”,即處于“S”形曲線的中上段。無論輸入的信號來自于哪一條途徑,只要信號的強度和時間能達到或超過閾值,最終都可以使兩條途徑均被激活。 單穩(wěn)調(diào)控模式 單穩(wěn)調(diào)控模式通常由另一信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑提供即時正信號,以保證信號的充分放大和延時；且在信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑上存在正反饋回路, 使信號能穩(wěn)定輸出；在撤除輸

14、入信號以后,輸出信號需經(jīng)歷一段較長的時間才能降至正常水平。門控模式 圖7 門控制信號轉(zhuǎn)導(dǎo)調(diào)控模式激活 抑制非門控模式 非門控模式指輸入信號為正刺激信號時,輸出信號受抑制；反之,輸入信號為負刺激信號時,輸出信號被激活。由AC-PKA 與Ras-Raf-ERK途徑所構(gòu)成的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)即屬于這一類。 圖8 分化特異性控制信號轉(zhuǎn)導(dǎo)調(diào)控模式激活 抑制分化特異性調(diào)控模式 這一調(diào)控模式與組織細胞的分化狀態(tài)相關(guān)聯(lián)。當細胞處于不同的分化發(fā)育階段時,可表達合成某種特異的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)分子,從而形成特定的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)模式。 協(xié)同調(diào)控模式 這一調(diào)控模式可存在于兩條或多條信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑之間,以達到協(xié)調(diào)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的目的。 第九節(jié) 細胞信號網(wǎng)絡(luò)作用機制細胞信號網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)分析 細胞信號網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)建 細胞信號網(wǎng)絡(luò)模型拓撲結(jié)構(gòu)分析節(jié)點的分類 對上述網(wǎng)絡(luò)模型的拓撲結(jié)構(gòu)進行分析 ,可見信號轉(zhuǎn)導(dǎo)分子之間的相互作用方式 ,分別是鏈式作用 、向心式作用、離心式作用、復(fù)雜式作用。 圖10 重要節(jié)點以及節(jié)點間的相互連接圖11 信號分子相互作用形成的信號交流分子網(wǎng)絡(luò)的主要