前馈机制在细胞命运抉择中的作用研究

Cell fate decision and feedforward mechanism are both front hot issues in recent years. Although there is growing experimental evidence that there exist compact correlations between them, the detailed function of feedforward mechanism on cell fate decision is unclear in theory. The project plans to make an in-depth study on the function of feedforward mechanism in the context of cell fate decision network. The methods we are using are basing on the nonlinear dynamics. With the execution of this project, we hope to establish cell fate decision dynamical equations which include feedforward mechanism, clearly show the effect of feedforward mechanism on the dynamics of cell decision system, and fully reveal its function on the accuracy of cell fate decision by simulating intrinsic and extrinsic noisy environments. This study will finally help us illustrating the function of feedforward mechanism systemically, and deepening the understanding of cell fate decision system and its regulatory processes. We also expect that our results could provide new research ideas and treatment methods for some diseases such as cancer.

细胞命运抉择与前馈机制都是近年来的前沿热点课题。尽管越来越多的实验表明两者之间存在着非常密切的联系，但是理论上对于前馈机制在细胞命运抉择中的详细作用却知之甚少。本项目计划在细胞命运抉择网络的背景下，利用非线性动力学的方法，深入研究前馈机制在其中的作用。通过本项目的开展，在理论上建立包含前馈机制的细胞命运抉择模型，以清楚地呈现出前馈机制对细胞命运抉择系统动力学的影响；通过随机模拟充分揭示前馈机制在细胞克服内外噪声而准确地选择合适命运时的作用；进而对前馈机制的功能作用进行系统全面的阐述，加深对细胞命运抉择及其调控过程的系统理解和整体把握，为一些疾病（如，癌症）的相关理论研究和治疗方法提供新的思路和科学的依据。

近年来，细胞命运抉择与前馈机制都是系统生物学领域的热点课题。同时，前馈机制在细胞命运抉择中的作用的理论研究还很少。本项目在细胞命运抉择网络背景下，利用非线性动力学的方法，研究了前馈机制在其中的作用。主要的研究内容和结果如下：（1）研究了前馈机制对于信号转导通路单稳态的影响，发现了一致性前馈机制能够产生与其两个支路不一致的调控作用，并且从理论上解释了这种非一致调控的产生原因和条件；（2）基于RhoA/ROCK和RhoA/SRF信号通路这两个在骨骼肌发育过程中起重要作用的基因调控网络，建立了一个简单的非一致的前馈环模型，探讨了基因开关的随机动力学和系统能量耗散的机制；（3）研究了同时包含正反馈与前馈机制的细胞命运抉择系统的稳态以及前馈机制对系统稳态的影响，发现了前馈机制在细胞不同的命运中对下游蛋白的调控起着完全相反的作用，这为针对一些复杂疾病（如癌症）不同的阶段（对应癌细胞不同的命运）研制对应的药物提供了理论依据；（4）为了寻找验证前馈机制能够产生非一致调控结论的证据，本项目还研究了与癌症相关的非编码RNA及相关蛋白的相互作用关系。总体而言，该项目已初步实现了研究目标，并且取得了一些有意义的成果。