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近来的研究表明,一个生物组织能够被看作足一个复杂系统,其中的成分在不同层次并以各种方式彼此作用。复杂网络理论利用网络节点和边的语言,将生物体系统抽象成为复杂网络米分析,是理解这类多层次、多个体相互作用系统的有效工具。这些年来,科学家们已经建立起关于真核细胞中多数成分的各种网络(例如蛋白质相互作用网、基因相互作用网、化学相互作用网、代谢流网)。通过计算和分析复杂网络的一些统计特性,如度分布、小世界效应、度的相关性、模块性和鲁棒性等,依据网络拓扑结构和相关的生物功能之间的对应关系,我们能够更加深入地了解生物有机体的行为和功能。
我们知道,蛋白质是活细胞中的核心成分,各种蛋白质网络被构建用以探索蛋白质的相互作用样式和不同蛋白之间的功能关系。实际上,许多细胞过程的实现小只由个体蛋白来催化,而是由一组相关的蛋白来驱动,这样的一组蛋白在生物学里被命名为蛋白质复合体。蛋白质复合体参与了大量的细胞过程,可以作为整合多个蛋白为一体的功能单位。进一步,从系统层次的角度出发,我们认为,如果将个体蛋白质作为细胞系统的基元成分,则蛋白质复合体可以看作足在蛋白质和细胞之间的中间层次的子系统。为了补充对于蛋白质复合体的认识,加强对生物系统层次性的理解,本文将关注重点从蛋白质转移到蛋白质复合体,并基于复杂网络理论和蛋白质方面的实证数据、在复合体的层次上来探讨生物细胞组织的一些特性。
首先,我们从两组酿酒酵母的蛋白质复合体实验数据(Gavin et al.2006;Zhang et al.2008)出发,以复合体作为网络的节点,依据复合体问共享的成分(模块或蛋白质)建立连边,构建了多个蛋白质复合体网络。通过计算和分析网络的主要静态统计量,获得了复合体网络异于传统生物网络的一系列特性。特别地,我们将一个源于技术网领域的HOT网络的概念框架延拓到蛋白质复合体网络中,推论并证实了这些复合体网络附加的鲁棒性。
从整体上探讨了蛋白质复合体网络的拓扑结构特性之后,我们进而研究在一定的细胞环境下,蛋白质复合体自身构成的动态规律。针对酿酒酵母细胞周期内蛋白质复合体的一个时间网络,通过区别复合体的两类亚基,我们描述了细胞周期内酵母复合体装配的时间特征、模式特征、位置分布和功能特征,发现复合体内动态基因的表达对应于细胞不同时期的功能需求,复合体内的动态基因与静态基因有结合偏好,复合体成分的位置分布与特定的复合体功能相关联。总之,辨识和分析复合体装配的特性为怎样将表达的个体蛋白质组织为功能单位提供了线索。
为了深入地认识生物系统,对模式生物实验数据的分析是有用的,而探索现象背后的生成机制显然更为关键。以蛋白质和基因的相互作用系统为背景,我们提出了一个生物无向网络的演化模型,该模型拥有较之过去史为合理的生物学微观机制。模型引入了反比于度值的单一节点偏好复制的规则,以及一个节点年龄属性,依据它来选择网络内节点获得重连边的概率,这样演化生成的网络完整地重现了现实生物网络所呈现的无标度、小世界、层次模块性、结构鲁棒性和度-度关联的非匹配性等统计拓扑特征。进而,通过对比无向网络的年龄属性与有向网络的下游节点规模属性,我们总结了用网络模型来诠释生物系统演化现象时的一些共同规律。
利用蛋白质复合体的实证分析和生物网络的模型构建,能够从新的角度促进对生物体结构和功能的理解。本文的最后,我们联系当前蛋白质组学和系统生物学的研究进展,提出了今后进行生物系统整合研究的生长点。