真核生物的基因调控与表观遗传学

基因调控网络(gene regulatory network)

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没有哪个转录因子是单打独斗的。每一个都开关基因——但它开关的基因里,有一些本身就是转录因子,接着去开关更多的基因,其中又有一些绕回来影响最初那一个。把所有这些连接追踪一遍,你就得到一张接线图,一张基因彼此开开关关的网。那张网就是基因调控网络,它才是真正在计算一个细胞所做决定的东西。

正式地说,基因调控网络是一个细胞里基因之间调控关系的总和:哪些转录因子(以及微小RNA、以及信号)控制哪些靶基因,画成一张由节点(基因)和箭头(一个箭头意味着“这个基因的产物激活或抑制那个基因”)组成的图。有趣的行为来自一些反复出现的小型接线模式,叫做基序。一个反馈回路,其中一个因子激活它自己的生产,能把一个决定锁定在原处、给细胞以记忆;一个因子抑制自身的回路则压抑噪声;一种前馈布局,其中A开启B、A和B一起才开启C,能充当一个计时器或一个过滤掉短暂信号的滤波器。串联起来,这样的电路让一张网络表现得像一段小小的程序:它能在几个稳定状态之间翻转、能数步数、能只对持续的输入作出响应,并在越过某个阈值后不可逆地下定决心。

基因调控网络之所以重要,是因为它们是基因组那张静态的零件清单如何变成一个活细胞动态的、会做决定的行为。发育就是一张调控网络的展开:一个受精卵沿着一条级联前行,其中每一个被开启的因子激活下一组因子,一步一步搭建起我们辨认为神经元、肌肉、皮肤细胞的那些稳定的网络状态。同一个框架解释了为什么那些状态很稳健(反馈把它们撑住)、为什么一个细胞很少翻回去(有些转变是单向开关)、以及为什么扰乱一个位置恰当的节点——正如驱动癌症的突变所做的那样——能让整个电路改道。用网络、而不是单个基因来思考,正是让生物学从给零件编目录走向理解行为的那个转变。

一个血液干细胞之所以会成为红细胞或白细胞,部分是通过一个由两个因子构成的调控电路决定的,这两个因子各自激活自己、又互相抑制;谁赢了这场拉锯,就把细胞锁进某一种命运——这是一个网络做出的决定,而不是单一一个开关。

基因彼此开开关关,构成一个电路,计算出一个细胞的决定。

一张由箭头组成的网络图是一幅有用的地图,却不是故事的全部:时序、每个连接的强弱、以及细胞的染色质状态,都在塑造实际的行为。同样的接线,依这些定量细节的不同,可以表现得不一样。

又称
GRNregulatory circuit基因调控网络