噪声诱导多细胞系统的同步切换-生物化学与生物物理进展.PDF

生物化学与生物物理进展 Progress in Biochemistry and Biop hys ics 2008, 35(8): 929~939 声诱导多细胞系统的同步切换* 2) 2) 2) 1,2)** 张家军 王军威 苑占江 周天寿 1) 2) ( 中山大学生命科学学院，广州510275 ； 山大学数学与计算科学学院，广州 510275) 摘要 在以往的工作中讨论了对单细胞的基因开关系统噪声如何诱导连贯切换 在此，对多细胞的基因开关网络系统研究各 种噪声(包括细胞内噪声和细胞环境噪声)对同步切换的影响 发现：细胞内基因调控过程中的合成率和降解率的随机涨落以 及细胞内的附加噪声均能够诱导群体基因开关系统的同步切换，而且存在一个最优的噪声强度， 使得这种同步切换的效果 最佳 另一方面，细胞环境的随机涨落所导致的噪声(即环境噪声)，不但能诱导上述同步切换，而且当细胞内噪声不足以诱 导细胞群体的同步切换时，它通过压制内部噪声来达到增强群体系统的协作行为 最后，还分析了受噪声影响的信号分子的 扩散率对细胞群体切换行为的影响 关键词 噪声，同步切换，基因开关系统，群体感应机制，合成基因网 学科分类号 Q6 近年来，人们已在不同的学科领域从理论和实 相对于噪声在这些研究工作的负面效果，噪声也能 验的角度对噪声的效果进行了广泛而深入的研究 在基因表达过程 起着正面的作用，例如，Zhou [11] 不过在迄今为止的工作 ，大部分还是将噪声视为 等 研究噪声在多细胞通信中的效果时发现：公共 不利的因素，引发人们研究系统对噪声影响的鲁棒 环境 噪 声能 促 进 细胞 间 的 通信 (cellular 性，并 此发展某些技术来抑制或消除噪声 然 communication) ，即噪声可以看作一种能量，促进 而，并不是所有的噪声均是 “坏”的，有时系统会 细胞间的信息交换， 此诱导随机同步(stochastic 设法“调整”(tune) 自己，以取得对噪声的最优响 synchronization)[11, 12] 更为有趣的是，对于这种随 应 这导致了人们对噪声诱导动力学行为的广泛调 机同步，噪声典型地使两个子系统的频率之比稳定 查，其 一个人们所熟知的例子是非线性体系中噪 在1 附近，实现锁频同步 噪声正面效果的例子还 声诱导的随机共振(stochastic resonance, SR) [1] 进 包括：受光照的影响，果蝇利用光照噪声来诱导连 [13] 一步的例子还包括噪声诱导的连贯共振(coherent 贯共振，产生周期为24 h 的韵律振动 ，噪声甚 resonance, CR)[2] ，这里系统本身并不振动，但合适 至在基因表达过程中能起着开关(switch)和扩大器 的噪声能激励或诱导 振动 (amplifier) 的作用[14] 噪声在基因表达调控方面的影响也越来越引起 基因切换系统，作为一类重要且典型的生物系 人们的重视 一方面，对于发生在细胞内的基因表 统，已引起包括生物学家，数学家，物理学家及化 达过程， 于参与生化反应过程的分子(拷贝)数很 学家的广泛关注 作为许多生物系统具有的基本特 少，因此噪声是不可避免的，会造成基因表达量在 性 一，双稳性是普遍存在的 典型的双稳生物系