Science Advances新研究指导基因调控网络的数学模型构建

一项新发表的研究为建立精确的基因调控网络数学模型提供了指导。该项目包括一个在线数据库，得到了爱荷华州立大学本科生研究人员的支持。

　　

在过去的20年里，生物学和医学的研究人员已经创建了布尔网络模型来模拟复杂的系统并找到解决方案，包括结肠直肠癌的新疗法。

爱荷华州立大学(Iowa State University)的系统生物学家、数学副教授Claus Kadelka说:“布尔网络模型是在这样的假设下运作的:调控网络中的每个基因都有两种状态:开或关。”

Kadelka和本科生研究人员最近发表了一项研究，解开了这些基因调控网络数学模型中的共同设计原则。他说，展示数百万年来进化的特征可以为数学家、计算机科学家和合成生物学家“指导精确模型构建的过程”。

“进化塑造了以非常具体、优化的方式控制我们细胞决策的网络。合成生物学家试图设计执行特定功能的电路，可以从这种受进化启发的设计中学习，”Kadelka说。

基因调控网络决定了有机体中发生了什么以及在什么地方发生。例如，它们会促使你胃里的细胞——而不是你眼睛里的细胞——产生盐酸，尽管你身体里的所有细胞都含有相同的DNA。

Kadelka在一张纸上画了一个简单的、假设的基因调控网络。基因A产生一种蛋白质，该蛋白质激活基因B，基因B激活基因C，基因C又关闭基因A。这种负反馈循环与空调的概念相同，当房间达到一定温度时，空调就会自动关闭。

但是基因调控网络可以是庞大而复杂的。研究人员数据集中的一个布尔模型涉及300多个基因。除了负反馈回路，基因调控网络还可能包含正反馈回路和前馈回路，它们会加强或延迟反应。执行相同功能的冗余基因也很常见。

在新论文中强调的这些和其他设计原则中，Kadelka说，最丰富的设计原则之一是“运河化”。它指的是网络中基因之间的等级或重要性排序。

可获取的数据，辅以本科生的研究

Kadelka强调，如果没有第一年导师计划，这个项目将很难完成，该计划将爱荷华州立大学荣誉项目的学生与校园内的研究机会相匹配。

本科生帮助Kadelka开发了一种算法，可以扫描3000万篇生物医学期刊文章，并过滤那些最有可能包含布尔生物网络模型的文章。研究人员逐一审查了2000篇文章，确定了160多个模型，其中包含近7000个受调节基因。

Addison Schmidt现在是计算机科学专业的大四学生，是这篇论文的合著者之一。2021年，当他还是一名大一新生时，他为这个项目创建了一个在线数据库。

“这项研究的一个主要好处是，它从许多来源收集和标准化布尔基因调控网络，并通过一个集中的网络界面与一套分析工具一起呈现它们。这扩大了数据的可访问性，并且网络界面使分析工具无需编程背景即可使用，”Schmidt说。

Kadelka说，系统生物学家已经将该数据库用于他们的研究，并对该资源表示感谢。他计划维护和更新这个网站，并研究为什么进化在基因调控网络中选择了某些设计原则。

至于Schmidt，他说，作为大一新生参与这个项目帮助他扩展了Python编程语言的专业知识，并更自如地将自己的技能应用于研究。

“这个项目也激励我在爱荷华州立大学进行其他研究，在那里我开发了其他工具，巧合的是，还有另一个网站来展示它们，”Schmidt说。