系统生物学–稳健性和稳态机制

在这篇系统生物学的综述中,来自杜克大学的H. Frederik Nijhout及同事们对于从代谢系统到生理发育系统各个层次的生物组织的稳态进行了总结。稳态机制可以使生物体及其各种功能维持稳定,从而对抗内外环境发生的大小变化,抑制多种形式的基因突变。这篇综述重点介绍了近年来在稳态机制分析、理解稳态机制如何运作的概念及应用的难点方面的研究进展,并提出了在稳定表型机制上的实验和理论研究的迫切需求。

生物体受到大量遗传和环境变化的影响,已经进化出了在这些挑战面前正常运作的各种机制。这种特性通常称为稳健性。表型产生于生物组织架构中的各个层次,从基因产物到生化信号通路,细胞、组织、器官、附件以及整个身体。这些系统的特性都同时受到遗传和环境因素的控制。在这些遗传因素中,包含调控基因和编码酶、转运蛋白和信号通路的基因;在环境因素中,包含光周期(决定某些激素何时分泌)、维生素(作为酶的辅助因子)和温度(控制很多生化反应的速率)。

稳态机制在这些不同的层次上保持形态和功能的动态稳定,以对抗有害的环境和遗传因素,在许多系统中,会有不同的稳定机制同时起作用。了解生物化学、生理和发育系统内的稳态机制如何运作,以及它们如何使控制表型的建立和稳定,既是艰难的挑战,也是实验和理论研究和发现的机遇。

稳态机制掩盖的潜在有害突变的一个后果是,这些突变将在人群基因组中持续存在并累积。由于这些突变对表型没有影响,因此它们被称为“隐性遗传多样性”。人类基因组中就有很多这样的多样性。然而,如果由于基因突变或环境变化而导致体内平衡机制被破坏,这些有害突变就不能再被掩盖,并可能导致疾病的产生。因此,隐性遗传多样性可以用来解释疾病的易感性。通过建立基因和环境促进体内稳态机制运作的数学模型,人们可以研究隐性遗传多样性产生和维持的机制,以及何种扰动会使这种多样性“释放”。

文章以 “Systems biology of robustness and homeostatic mechanisms”为题发表于WIRE Systems Biology and Medicine上。