北京大学理论生物学中心网络小组研究成果斐然

北京大学理论生物学中心网络小组研究成果斐然

　　

北京大学理论生物学中心是利用北京大学的多学科优势，集中数学、物理、化学、力学、生物及计算机科学的研究力量，从实验与理论两个方向开展关于生物学交叉的理论生物学与系统生物学研究工作的跨学科研究中心。近日，该中心网络小组在下面两个研究方向上取得进展  。

  

一、生物网络的功能与结构的关系研究  

基因调控网络的结构和动力学性质的关系对于理解生物网络调控的本质具有重要意义。最近，理论生物学中心网络小组的研究生马文喆同学（导师：汤超，欧阳颀，来鲁华教授）等在研究果蝇的体节极性网络的过程中发现生物网络的功能和结构有很强的对应关系。果蝇体节边界的最终确定是由一个重要而且保守的网络－体节极性网络实现的。这个网络中很多基因的突变都是致死性的，而且网络中的重要基因和调控关系在不同的生物中反复出现。马文喆等人的研究结果定义了此生物过程的功能，在一个只有三个节点的网络模型的基础上，穷举了所有可能的网络结构，并进一步找出了所有能够完成生物功能的网络。他们发现即使是极度简化的模型仍能够反映生物学上比较重要的性质。某些网络不但能完成正常的生物学功能，在这些网络中做突变后产生的表型与真实生物体中的对应突变也具有可比性。能够完成生物学功能的网络不是唯一的，作者发现尽管网络结构可以相差很多，但所有网络完成功能的机制确是相同的。所有这些网络都由三个基本的功能模块构成，不同的网络只是这三个功能模块的不同实现方式的组合。该研究成果2006年12月发表在由Nature杂志社新创刊的系统生物学杂志：Molecular  Systems  Biology上（http://www.nature.com/msb/journal/v2/n1/synopsis/msb4100111.html）。该论文的第一作者马文喆同学是理论生物学中心2002年正式招收的第一批跨学科研究生。

 

二、炎症相关花生四烯酸代谢调控网络的动力学研究

炎症是机体对于刺激的一种防御反应，与之相关的疾病包括类风湿性关节炎，炎症性肠病，哮喘等。如何设计高效安全的抗炎药物，一直是医药界面临的难题。目前人们大多认为，对于像炎症这类多个药靶参与调控的复杂疾病，作用于单个药靶的药物难以实现理想的治疗效果。理论生物学中心网络小组通过研究炎症病理过程中的一个核心网络——花生四烯酸代谢调控网络的动力学性质，证实了作用于多个靶点的抗炎药的优势，并进一步揭示了药物分子在疾病网络中作用的复杂性。这一研究成果是由理论生物学中心不同研究背景、多学科合作研究而取得的，显示了跨学科研究的优势。研究生杨坤等人的部分研究成果于2007年3月在PLoS  Computational  Biology杂志上发表（Yang  K,  Ma  WZ,  Liang  HH,  Ouyang  Q,  Tang  C  and  Lai  LH*.  Dynamic  simulations  on  the  Arachidonic  Acid  Metabolic  Network.    PLoS  Comp.  Biol.,  3:523-530,2007）。

在人类中性粒细胞中，花生四烯酸主要通过三条支路代谢：一条是环氧合酶支路，产生前列腺素类炎症介质；一条是5-脂氧合酶支路，产生白三烯类炎症介质；另外一条是15-脂氧合酶支路，产生羟基二十碳四烯酸类活性物质。通过建立花生四烯酸代谢调控网络的常微分方程组模型，发现三条支路的相互竞争与支路中的反馈调控，使得小分子的作用在实际疾病过程中比预想的要复杂。例如引入外源花生四烯酸，当其浓度超过一定阈值后，白三烯B4的产量反而会下降。针对抑制剂作用进行了模拟，发现单独的环氧合酶或5-脂氧合酶抑制剂不如同时作用于这两个靶点的药物具有优势。多靶点的药物更利于将网络代谢维持在正常水平。另外，还研究了混合抑制剂与双头抑制剂的异同，发现双头抑制剂比混合抑制剂具有更多优势。