成形素编码与解码空间信息的机制研究

Morphogens are signaling molecules that play a key role in the process of biological development, directing and controling the formation of tissues and organs. Studying the formation and propagation of morphogens as well as their regulation of the downstream target genes is importantly significant for understanding morphogenetic processes, and is currently a hot topic in Systems Biology. At present, the relevant research is still at initial stages and the relevant theories and methods are still immature and single. This project will comprehensively take information theory, communication theory, differential equation theory, optimalization and control theory, etc, to study mechansims of the formation and propagation of morphogens as well as their regulation of the downstream target genes from the new viewpoint of spatial information encoding and decoding. This project will study effects of morphogen' production, propagation, degradation, transport as well as auxiliary molecules' regulatory loops among these processes, on the efficiency of encoding spatial information, and do how downstream distinct circuits decode the upstream spatial information in the process that morphogens regulate the target genes. Through study, the project tries to summarize a general law on how morphogens encode and decode spatial information so as to lay a solid theoretical foundation for understanding the formation of various spatial patterns in morphology as well as the process of cell differentiation.

成形素是生物发育过程中起着关键作用的一类信号分子，它指导和控制着组织与器官的形成。研究成形素的传播与梯度的形成，及其对下游靶基因的调控，对于理解各种组织和器官形成过程具有重要的生物学意义，也是目前系统生物学的一个热门话题。目前针对该问题的理论研究仍处于初期，并且理论与方法还不成熟且较为单一。本项目将采用信息论、通信原理、微分方程理论、优化控制理论等相结合的方法，从干细胞空间位置信息编码与解码的全新视角，研究成形素传播与梯度形成的规律，以及成形素梯度对下游靶基因的调控机制。本项目重点研究成形素信号分子在合成、传播、降解、转运等过程，及其这些过程中辅助分子构成的调控环路对空间信息编码效率的影响，同时还研究成形素在调控靶基因过程中下游各种调控环路对上游空间信息解码的规律。通过本项目的研究，试图总结出成形素空间信息编码和解码的一般性规律，为理解生物组织与器官形成及细胞分化的过程奠定坚实的理论基础。

成形素是生物发育过程中起着关键作用的一类信号分子，它指导和控制着组织与器官的形成。研究成形素的传播与梯度的形成，及其对下游靶基因的调控，对于理解各种组织和器官形成过程具有重要的生物学意义，也是目前系统生物学的一个热门话题。目前针对该问题的研究仍不完善，并且理论方法与结果还不全面。本项目采用随机过程理论、统计学理论、微分方程理论、优化控制理论等相结合的方法，从干细胞空间位置信息编码与解码的全新视角，研究成形素传播与梯度形成的规律，并且获得一些重要结果：提出了一套全新的计算成形素梯度形成时间的方法。该方法适用于更复杂的成形素传播模型（尤其是对非线性成形素模型），推广Berezhkovskii提出的方法；建立了成形素分子随机行走模型（不同经典的确定型模型），研究了成型梯度的平均场，信噪比，而且发现成形素梯度方差的形成时间比它的二阶矩快；研究发现胚胎细胞通过读取相邻位置成形素浓度差的方式，解码胚胎细胞空间信息，而且这种方式比直接获得细胞膜上成形素浓度的方式更高效，并且得到了生物实验的印证；研究了组织增长与成形素梯度编码的关联，重点研究了常值增长和线性增长的两种形式，给出了这两类模型题目动态解析解和平衡态解析解，以及成形素梯度形成时间，并用数值仿真方法验证我们的结果；研究下游环路与解码关系，考察了一类双稳模型在随机环境下的影响，发现对于多稳态系统，不同状态之间的切换以能量最小化的方式进行转变。这一结果说明成形素下游信号通路在非常小随机扰动环境下就可以发生不同状态之间的切换，以便成形素梯度信号对不同组织边界的形成；最后我们还研究了一些信号分子的异常扩散机制，发现异常扩散机制比正常扩散拥有更丰富的动力学性质。通过本项目的研究，希望能为胚胎发育学提供理论依据，同时为理解胚胎发育过程提供重要参考。