真核生物的基因調控與表觀遺傳學

基因調控網絡(gene regulatory network)

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沒有哪個轉錄因子是單打獨鬥的。每一個都開關基因——但它開關的基因裡,有一些本身就是轉錄因子,接著去開關更多的基因,其中又有一些繞回來影響最初那一個。把所有這些連接追蹤一遍,你就得到一張接線圖,一張基因彼此開開關關的網。那張網就是基因調控網絡,它才是真正在計算一個細胞所做決定的東西。

正式地說,基因調控網絡是一個細胞裡基因之間調控關係的總和:哪些轉錄因子(以及微小RNA、以及信號)控制哪些靶基因,畫成一張由節點(基因)和箭頭(一個箭頭意味著「這個基因的產物激活或抑制那個基因」)組成的圖。有趣的行為來自一些反覆出現的小型接線模式,叫做基序。一個反饋迴路,其中一個因子激活它自己的生產,能把一個決定鎖定在原處、給細胞以記憶;一個因子抑制自身的迴路則壓抑噪聲;一種前饋佈局,其中A開啟B、A和B一起才開啟C,能充當一個計時器或一個過濾掉短暫信號的濾波器。串聯起來,這樣的電路讓一張網絡表現得像一段小小的程序:它能在幾個穩定狀態之間翻轉、能數步數、能只對持續的輸入作出響應,並在越過某個閾值後不可逆地下定決心。

基因調控網絡之所以重要,是因為它們是基因組那張靜態的零件清單如何變成一個活細胞動態的、會做決定的行為。發育就是一張調控網絡的展開:一個受精卵沿著一條級聯前行,其中每一個被開啟的因子激活下一組因子,一步一步搭建起我們辨認為神經元、肌肉、皮膚細胞的那些穩定的網絡狀態。同一個框架解釋了為什麼那些狀態很穩健(反饋把它們撐住)、為什麼一個細胞很少翻回去(有些轉變是單向開關)、以及為什麼擾亂一個位置恰當的節點——正如驅動癌症的突變所做的那樣——能讓整個電路改道。用網絡、而不是單個基因來思考,正是讓生物學從給零件編目錄走向理解行為的那個轉變。

一個血液幹細胞之所以會成為紅血球或白血球,部分是通過一個由兩個因子構成的調控電路決定的,這兩個因子各自激活自己、又互相抑制;誰贏了這場拉鋸,就把細胞鎖進某一種命運——這是一個網絡做出的決定,而不是單一一個開關。

基因彼此開開關關,構成一個電路,計算出一個細胞的決定。

一張由箭頭組成的網絡圖是一幅有用的地圖,卻不是故事的全部:時序、每個連接的強弱、以及細胞的染色質狀態,都在塑造實際的行為。同樣的接線,依這些定量細節的不同,可以表現得不一樣。

又稱
GRNregulatory circuit基因调控网络