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汤超小组研究揭示生物适应性在生物网络层次上如何实现 |
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北京大学理论生物学中心汤超教授课题组和加州大学旧金山分校Wendell Lim教授课题组合作，在最新的一项研究中揭示了生物适应性在生物网络层次上是如何实现的。该研究所发现的规律性可能在生物系统中具有普适性，将有助于加深对于生物系统复杂性的认识。
近日这一研究成果已作为封面文章刊登在国际一流杂志《细胞》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）。《细胞》杂志专门为此配发了评论。该论文的第一作者马文喆博士（合作导师为汤超教授和欧阳颀教授）是北京大学理论生物学中心与加大旧金山分校联合培养的博士后。马文喆博士2007年7月毕业于北京大学，是北京大学理论生物学中心正式招收的第一批跨学科研究生。
生物体生活在一个不断变化的环境中，如何适应新的环境是生物体保证自身生存的需要，这一特性可以广义地称为生物体的适应性。而生物界的另一个引人入胜的特征则是具有多样性。这种多样性不仅对应于我们可以看到的生物表型，也同时存在于导致表型的调控网络上。具体来说，执行同一种功能的调控网络可以对应于千差万别的网络结构。这种生物的多样性给科学研究带来了很大的困难。
在该工作中，马文喆博士等人在理论上研究了酶调控网络的适应性问题。通过在理论上穷举所有可能的简单调控网络，他们首先发现了很多具有适应性的网络，这一点与生物中的多样性是一致的。但是在具体的分析了这些具有适应性的网络之后，他们惊奇地发现所有这些具有适应性的网络都可以被分为两大类。首先可以在网络结构上进行分类：第一类网络包含两条符号相反的从输入到输出的信号通路（不一致前馈回路）；而另一类网络不包含前馈回路，却包含至少一个负反馈回路。这种结构分类同时也对应着网络中关键节点不同的功能。在不一致前馈回路中一定要有一个控制节点对输入输出进行成比例的调控；而在负反馈回路中一定要有一个进行积分调控的控制节点。
这项研究表明，在复杂的生物现象背后很可能存在着普适的规律性。该研究结果可以作为参照标准来判断已知的适应性网络是否包含了必要的元素，是否完整；也可以用于指导合成生物学研究来构建新的具有适应性的网络。
图为该期细胞杂志的封面。左侧的两个大药瓶对应着马文喆等人发现的两类主要的适应性网络结构。
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