几种典型生物振荡系统的动态特征及其网络结构

Oscillations are found throughout the biological world. In this application, we propose to investigate several typical biological oscillators, including: 1)cell cycle, a oscillator with tunable period, robust amplitude and inside phase lock; 2) Circadian clock, who has constant period, adaptive amplitude and easy phase entrainment; 3) other oscillators in metabolic systems. We propose to develop authentic mathematical and computer models, to study the links between the distinct dynamical properties and their behind network topologies...Since the mathematical description of different biological regulatory ways (transcription, modification, translocation...) are varying, we will pay extra attention on the influence of the regulatory methods. We anticipate, through this study, the biological mechanisms for these oscillators to be revealed, and some theoretical results to be achieved.

生物系统的振荡现象丰富多彩。本项目中，我们拟研究几类典型的生物振荡系统，包括：1）细胞分裂周期，其振荡周期具有很强的可变性，但振幅固定，并且系统内部出现多振子的锁相行为；2）生物钟节律，其周期异常鲁棒，但振幅变化大，相位则容易被牵引。3）新陈代谢中的一些振子。我们拟建立真实可信的数学模型，来研究这些动态特征及其对应的调控网络结构。..由于不同的生物调控手段（转录、修饰、位置转移等）有不同的数学模型描述，我们尤其关注网络结构中调控手段不同所带来的影响。我们希望这项研究，能够揭示合理的生物学机制，也为信息与数理科学提供理论结果和一些启示。

生物系统的振荡现象丰富多彩，并且与调控网络结构有密切关系。我们利用非线性动力学的理论工具，结合生物实验验证，揭示这些振荡行为的根本机制。. 1）在细胞周期方面，我们揭示裂殖酵母的细胞体积检查点的形成机制：这个检查点是通过体积参数与有丝分裂促进因子MPF的相平面上的鞍结点分叉实现的。2）生物节律方面，我们首先揭示了调控网络中次要反馈环与主反馈环的协调调控对周期长度的影响：是两个反馈环的振幅之比（而非任何单个环）决定了周期的长度；进一步地，两个反馈环之间的耦合，提供了振幅之间的连锁，从而保证了周期长度的鲁棒性。另外，我们还揭示了生物钟奇异性行为的机制（特定刺激下，振幅在较长的时间内被压制）：特定刺激能把细胞群牵引到不动点的稳定流形附近，一方面造成细胞间相位失同步，同时也压制单细胞的振幅。 3）新陈代谢中的糖酵解振子方面，我们使用控制理论中频域控制的敏感性分析方法揭示了缺少葡萄糖情况下糖酵解的暂态振荡的机理，并阐述了生物体建立这种报警机制的设计原则。..本项目成果的两个关键特点是：1）把数学模型与实验结合起来：在关于生物节律的工作中，我们真正实现了模型预测-->实验验证-->反馈模型的过程。此文章发表在生物信息最好的杂志NAR(IF 9.2)上。2）我们的建模不流于浅表，而是深入运用生物学知识，建立了比“基因-RNA-蛋白“模型更精确的“顺式/反式元件调控”模型。