蓝细菌昼夜节律体内调控网络的初步理论研究

昼夜节律是生命个体内在的时钟机制，使其与昼夜交替所产生的环境变化同步。昼夜节律涉及十分复杂的基因调控网络、蛋白质调控网络的反馈调控。生物体内与昼夜节律相关的基因通过反馈机制来调控其自身的活性，使生物节律维持相对恒定，以适应外界环境的变化。本研究项目以蓝细菌钟蛋白核心KaiC的分子内磷酸化反应网络体外模型为基础，由理论分析、数学建模及数值模拟着手，探讨KaiC蛋白六聚体分子内磷酸化反应网络与昼夜节律相关基因、与KaiC磷酸化信号转导过程的上游通道及下游通道相关蛋白之间相互作用模式以及非线性动力学特性，并由此提出初步的蓝细菌昼夜节律体内调控网络模型。

昼夜节律是生命个体内在的时钟机制，使其与地球自转所产生的昼夜交替环境变化相同步。昼夜节律涉及十分复杂的基因调控网络、蛋白质调控网络的反馈调控。生物体内与昼夜节律相关的基因来控制其自身和其它基因的活性，使昼夜节律维持相对恒定，以适应外界环境的变化。本研究项目以蓝细菌钟蛋白核心KaiC的分子内磷酸化反应网络体外模型为基础，由理论分析、数学建模及数值计算着手，构建了一组非线性偏微分方程组，完成研究了KaiC六聚体分子内磷酸化反应网络与昼夜节律相关基因的相互作用的非线性动力学，以及KaiC磷酸化信号与上下游通道相关蛋白相互作用的非线性动力学。利用单分子物理研究方法，得到了生物大分子在单个细胞内的输运和扩散的动力学过程和参数，以及生物大分子之间相互作用的简单模式。通过一系列的数学、物理处理方法，成功实现了把较为复杂的KaiC与其相关基因以及上下游通道相关蛋白的调控网络简化成四个甚至两个变量的非线性偏微分方程组，该模型能更直观和准确地描述蓝细菌钟蛋白核心的昼夜节律体内调控模式。