代谢功能约束下全基因组复制缓冲机制建模与分析

Gene duplication is the phenomenon of duplication of a DNA segment containing genes. Whole genome duplication is crucial to the emergence of new structures and functions, take the polyploidization of angiosperms for instance. However, the mechanism beneath is far from clear. Based on previous research results, we propose a hypothesis named whole genome duplication constraint buffering in case of metabolic function. The core of this hypothesis is that gene duplication、transcription regulatory network mutation and metabolic function form a cascade of constraint. Whole genome duplication buffers the restriction of transcription regulatory network and boosts metabolic evolution. To reconstruct this constraint structure, we plan to design a DNA embedded undirected graph structure to construct an abstract unified space structure, up on which we mimic the biochemical and dynamical feature of transcription factor and enzyme abstractly in order to establish an artificial metabolic transcriptional regulatory network. We will do evolutionary computation to investigate how whole genome duplication affects the evolution of the artificial transcriptional regulatory system. We will compare the computational results with biological data from model organisms using bioinformatics methods in order to verify the hypothesis.

基因复制是DNA上包含基因的片断被复制的现象。其中全基因组复制对生物新结构和功能的形成起到重要作用，如被子植物的多倍体化现象。然而其内在机制还没有得到明确解释。为了解释这一现象，在前人研究工作基础上我们针对代谢功能提出一种全基因组复制缓冲机制。我们认为复制基因受到转录调控网络以及代谢功能的逐级约束，而全基因组复制缓冲了转录调控网络的约束，从而促进了代谢功能的演化。为了重建这种约束结构，我们拟设计一种嵌入DNA分子的无向图结构抽象构建一种空间结构，在此空间结构上抽象模拟转录因子以及酶的生化和动力学特性，建立人工代谢转录调控系统。然后我们拟使用演化计算的方法探究全基因组复制对人工代谢转录调控系统的演化所起的作用。我们拟采用生物信息学方法将演化计算结果与模式生物数据做比较，以验证全基因组复制缓冲机制的存在性。

基因复制是DNA上包含基因的片断被复制的现象。可以是单个或多个基因的复制，也可以是整个基因组的复制。本项目旨在探究全基因组复制在生物演化过程中形成新的功能所起的作用。我们使用了时间线技术和分子线技术实现了代谢功能的逐级约束结构的建模，对人工代谢系统做了演化计算，分析了新功能的产生机制。我们发现以ATP/ADP分子为中介的能量传递模式是稳定的代谢功能得以演化的必要条件。我们做了两组对比试验，每组试验做十次演化计算，有ATP/ADP分子和无ATP/ADP分子作能量中介。这两组实验出现显著差异。由此我们提出了自治系统理论，并提出代谢系统新功能的产生的主导原因很可能是系统的自治性，而非全基因组复制缓冲机制。这一研究成果对生命系统新功能的演化机制的研究很可能具有开拓性的意义。