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随记 关于dynamical systems与细胞生物学

已有 5027 次阅读 2011-11-12 07:42 |个人分类:thoughts|系统分类:科研笔记| 网络, 系统, Systems, 细胞, dynamic

首先检讨一下:我最近一年来所感兴趣的话题,应该算是dynamical systems理论;它需要一些网络理论作为基础,但不能算是后者的一部分。关于Kauffman的NK网络模型与Wolfram的Automata在实质上是同一个东西,其实早就有人总结过了。之前一篇综述(Cershenson,2004)就提到过,今年又有一篇论文(Kayama,2011)将之公式化。

已经学习了一部分关键内容,其中最核心的东西还是attractor。这个东西在生物学中已经有了少量证据,Prof. Huang也正在大力鼓吹它在细胞重编程和癌症研究中的意义。我个人非常看好其前景,但是还有太多问题需要解决。

从纯生物学的角度来看:
1. 细胞的“初始状态”:从受精卵开始,哪些基因是从开始就表达的?它们对后来的dynamics起什么作用?
2. 每个中间状态(也就是各种干细胞、祖细胞)是不是“attractors”?如果不是,就面临着其如何自我更新并保持稳定的问题;如果是,那就面临着它们 如何变成“non-attractors”的问题。Huang目前仍然保留2007年的假说,认为它们属于attractors。至于细胞如何/为什么能离开这些attractors,一是因为它们比较“浅“,基因表达的随机涨落足以使细胞逃离;二是这些attractor本身可能由于某些参数的变化而变成“repellors”,从而使细胞走向新的其它attractors。这两种机制有可能共同发挥了作用。但我个人认为后一种更加重要,因为它更加可控。
3. 对于癌细胞来说,它们的表型对应的是其中的哪类states?癌细胞的网络都处于哪个phase?癌也是一类attractor吗?
4. 与癌变相关的问题:细胞分裂失控。控制细胞分裂的那些基因,在细胞网络中处于什么样的位置?这些位置是不是很特殊,以至于很多种不同的网络失控都能导致细胞分裂失控?Huang今年5月的综述第一次约略地掠过了这个问题,但很不清晰。
5. 个人臆测(没有什么可靠的依据):a)网络/系统理论当中还需要掺杂一点博弈论,但是博弈的主体是谁,这个话题很微妙;b)构建细胞网络的时候需要考虑细胞代谢,考虑一下ATP、线粒体等等作为能量的来源对于系统演变的影响;c)近年来很热门的miRNA,其在细胞网络中的角色不容小觑。

从生物信息学的角度来看:
1. 从DNA到RNA到蛋白质,如何从基因组序列来推导、构建表达调控网络?这可是个大问题,需要大项目、长时间来解决。我等小辈最多给添点料吧,添砖加瓦都谈不上。
2. 还有那些研究后基因组学的,要从实验数据来倒推这个调控网络。从理论到结论上都有许多存疑。最终可靠性、可用性到底如何?很难说。

从构建模型的角度(刚刚开始学习,表述很幼稚,见笑了):
1. 将系统看作一个同步间断式线性变换的状态集,是否足够?是否需要考虑非线性变换的情况?是否要考虑连续变化的情况?还有异步的情况呢(这个已经有很多人在做了,但不太了解)?
2. 目前的Boolean模型对于每个节点的状态描述是开/关式的,只有两种状态,对于每个节点的影响函数也是查表式的。这样过于简化,也不太合理之处。目前已经有基于S型曲线的函数来描述节点间的相互影响,似乎更接近真实情况。但是还有一个小问题,
3. 如果考虑多个节点对同一个节点的影响,这些影响是否是可加性的?
4. 存在不存在一种可以求通解的变化,使得原来的attractor变成repellor?
……

本来想写两三句,结果变成了好几段。感兴趣的同学请读一下Huang最近的综述(Huang 2011)。如有哪位老师或同学愿意前来指教,本人不胜感激。


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