晝夜節(jié)律生物鐘的數(shù)學建模及其運行機制研究.pdf

1、從藍藻到人類，幾乎所有生物體的生理、代謝活動和行為過程都表現(xiàn)出以24小時為周期的晝夜節(jié)律性.人們最熟悉的晝夜節(jié)律是每天的睡眠—覺醒節(jié)律.此外，人體的其它生理功能，如體溫、激素分泌和血壓等也均表現(xiàn)出穩(wěn)定的晝夜節(jié)律性變化.經過長期進化，生物機體內發(fā)育分化出一個特殊的器官—生物鐘，用來協(xié)調各種不同組織與器官的晝夜節(jié)律，使生物體適應自然界的環(huán)境變化.晝夜節(jié)律的破壞將導致機體功能紊亂甚至疾病，例如飛行引起的時差反應、睡眠時相延遲綜合征、睡眠時相提

2、前綜合征、非24小時睡眠—覺醒模式、輪班制工作引起的睡眠障礙和心血管疾病等.由于生物鐘維持節(jié)律的分子機制沒有研究清楚，目前還不能對這些疾病進行有效的治療.因此，在分子水平上研究晝夜節(jié)律的調控機制，已成為生物學領域的研究熱點.相關研究將有助于我們更好地認識生命現(xiàn)象，揭示生物有機體適應環(huán)境的內在機制，提高疾病的診治水平，具有重要的理論價值和臨床應用價值. 隨著人類基因組計劃的完成和分子生物學技術的不斷完善，我們已經掌握了包括果蠅、小

3、鼠等模式生物和人類的所有遺傳信息的組成，因此從系統(tǒng)生物學的思路出發(fā)研究生物節(jié)律的產生機制已成為可能.目前已發(fā)現(xiàn)生物體內存在眾多的時鐘基因和鐘控基因，時鐘基因的表達調控網絡（如轉錄—翻譯反饋環(huán)路等）在晝夜節(jié)律的發(fā)生和維持中起著關鍵作用，另一方面，由于數(shù)學模型在整合實驗數(shù)據(jù)和分析耦合反饋環(huán)路組成的基因調控網絡的動力學方面的獨特優(yōu)勢，近年來數(shù)學模型在生物節(jié)律研究領域越來越受到人們的重視.一個好的數(shù)學模型不僅能幫助我們理解生物鐘的復雜結構，而且

4、可以預測新的行為以供實驗進一步驗證. 在本文中，對于晝夜節(jié)律研究中兩個最典型的模式生物—果蠅和哺乳動物，基于從單細胞到多細胞的思路，我們用非線性動力學有關知識分別對單細胞水平上的生物鐘產生機制和多細胞水平上的生物鐘同步化機制進行了系統(tǒng)且細致的研究，主要結果體現(xiàn)在以下幾個方面： 首先，我們研究了果蠅生物鐘中正反饋環(huán)路和負反饋環(huán)路的功能.為此，我們建立了一個新的果蠅生物鐘單細胞模型.該模型由per介導的負反饋環(huán)路和clk介導

5、的正反饋環(huán)路構成，整合了已有果蠅生物鐘分子機制的實驗結果.我們發(fā)現(xiàn)在持續(xù)黑暗的條件下，模型呈現(xiàn)出接近24小時的晝夜節(jié)律振蕩；在光照—黑暗循環(huán)的條件下，模型保持精確24小時的節(jié)律振蕩，并能導引到外界環(huán)境周期.此外，模型還能模擬基因突變體的表型（如per01和clkJrk等）.這些結果都與實驗觀察相吻合.果蠅生物鐘周期振蕩僅由負反饋即可完成，因為正反饋環(huán)路失效的情況下，模型周期振蕩依然維持.通過參數(shù)敏感性分析，我們發(fā)現(xiàn)沒有正反饋環(huán)路時，果蠅

6、生物鐘關于負反饋環(huán)路中調控過程的魯棒性幾乎沒有變化，而關于原正反饋環(huán)路中調控過程的魯棒性大大降低了.由于正反饋環(huán)路還起著調控輸出的功能，我們的研究表明果蠅可能利用這種機制在穩(wěn)定核心生物鐘神經元晝夜節(jié)律振蕩的同時，協(xié)調控制著機體其它組織和器官的晝夜節(jié)律行為.這些結果不僅可以幫助我們理解果蠅生物鐘的設計原理，也為我們理解更為復雜的生物體（如哺乳動物和人類等）的生物鐘設計原理提供了可借鑒之處. 其次，我們研究了果蠅大腦中生物鐘的多細胞

7、同步化機制.這里，我們建立了兩個果蠅生物鐘多細胞模型： 第一個是間接耦合的果蠅生物鐘多細胞模型，它是基于生物鐘細胞內部動力學和細胞間動力學而建立的.我們發(fā)現(xiàn)這種間接耦合機制不僅能使耦合的異質自激時鐘振子同步化，而且能使耦合的異質衰減時鐘振子達到同步化.此外，24小時光照—黑暗循環(huán)能補償細胞間的耦合不足，即當細胞間的耦合強度很弱時，來自環(huán)境中的公共周期信號能促使細胞群體達到同步化，同時使細胞群體與外界環(huán)境周期保持一致.我們的結果表

8、明間接耦合方式可能是果蠅生物鐘間一種潛在的同步化機制. 第二個是功能分組的果蠅生物鐘多細胞模型，它是根據(jù)果蠅大腦中生物鐘神經元的解剖分布建立的.該模型由2個功能組分構成：互相通信的外側神經元子網絡（這部分神經元是自激時鐘振子）和僅接收來自外側神經元信號的背側神經元子網絡（這部分神經元是衰減時鐘振子）.通過模擬不同的實驗條件，該模型不僅能模擬已知的實驗現(xiàn)象，而且預測了一些有趣的現(xiàn)象：（1）通過接收來自外側神經元的信號，背側神經元不

9、僅能獲得節(jié)律性而且能達到群體同步化；（2）細胞間通信對于這2個功能組中平均周期和平均振幅的影響是不同的；（3）通信過程中的時間延遲能有效促進外側神經元間的同步化；（4）在持續(xù)白晝的條件下，只有外側神經元失去韻律性，而背側神經元依然保持韻律振蕩.研究結果揭示了果蠅生物鐘神經元之間的整合機制，進一步幫助我們深入理解生物體的行為和生理節(jié)律. 最后，我們研究了細胞質中的信號分子cAMP在哺乳動物生物鐘中的作用.一般認為哺乳動物的生物鐘位

10、于下丘腦的視交叉上核（SCN）.而且，光線刺激產生信號，通過視網膜下丘腦束視覺通路將導引信息傳遞到SCN.最新實驗表明，用細胞內轉錄—翻譯反饋環(huán)路這樣的分子機制來描述哺乳動物的生物鐘是不充分的.為此，基于生物實驗我們構造了一個既含有轉錄—翻譯反饋環(huán)路又含有細胞質中信號分子cAMP介導的反饋環(huán)路的哺乳動物生物鐘模型.模型研究表明：轉錄—翻譯反饋環(huán)路和cAMP反饋環(huán)路協(xié)作驅動了哺乳動物的晝夜節(jié)律振蕩.模型在持續(xù)黑暗條件下和光照—黑暗循環(huán)的條