合成生物學(xué)研究生物圖案的形成原理,生物工程論文生物系統(tǒng)常會(huì)構(gòu)成復(fù)雜的圖案或構(gòu)造，如斑馬的條紋、孔雀〔Peafowl〕的羽毛、金錢豹〔Pantherapardus〕的斑點(diǎn)、魚的鱗片、花瓣等。產(chǎn)生這些有序構(gòu)造的生物經(jīng)過被稱為圖案的構(gòu)成[1].它通常牽涉多信號(hào)撲朔迷離的調(diào)控、基因表示出的改變、細(xì)胞的形變、細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)、增殖和死亡，以及細(xì)胞-環(huán)境的互相作用。

分子生物學(xué)家、發(fā)育生物學(xué)家、合成生物學(xué)家、組織工程學(xué)家、系統(tǒng)生物學(xué)家和理論生物學(xué)家都對(duì)生物圖案的構(gòu)成非常感興趣。了解這些生物圖案的構(gòu)成原理，是對(duì)一代代科學(xué)家的極大挑戰(zhàn)。

在過去的10年中，合成生物學(xué)家們不斷嘗試將物理學(xué)和工程學(xué)理念融入生物學(xué)，并獲得了很大的進(jìn)展。改造細(xì)胞使之擁有新的功能是合成生物學(xué)的主要目的[2~7].然而，這一領(lǐng)域的另一個(gè)重要目的-用創(chuàng)造生命的方式去理解生命正越來越遭到重視[8,9].生物圖型的傳統(tǒng)研究方式方法是正向或反向遺傳學(xué)方式方法，因而運(yùn)用合成生物學(xué)來研究生物圖案的構(gòu)成原理是一個(gè)標(biāo)志性的轉(zhuǎn)變。在這篇綜述中，將重點(diǎn)介紹重復(fù)周期性生物圖案的研究。

1重復(fù)周期性生物圖型及其實(shí)驗(yàn)研究

從解剖學(xué)角度而言，生物構(gòu)造或圖案往往呈現(xiàn)重復(fù)周期性。例如，人有10個(gè)手指，24根肋骨和32顆牙齒。一個(gè)在空間上具有重復(fù)周期性的圖案通常由被有序間隔隔開的重復(fù)單元組成。這種特征能夠輕易地從斑馬條紋、孔雀羽毛、魚鱗、果蠅〔Drosophilamelanogaster〕體節(jié)和脊椎動(dòng)物胚胎體節(jié)中觀察到。周期性也同樣能夠表如今時(shí)間維度上，如人類心肌的有規(guī)律收縮運(yùn)動(dòng)[10].果蠅身體的分節(jié)是周期性構(gòu)造研究的重要典型之一。在過去的30年中，大約有40個(gè)基因被確認(rèn)介入了果蠅的分節(jié)經(jīng)過。這些基因通過層層互相作用，逐步演變，最終完成了前后軸〔anteriorandposterioraxis,AP〕的細(xì)分[11,12]〔圖1〕。

體節(jié)發(fā)生作為脊椎動(dòng)物胚胎的一個(gè)重要發(fā)育經(jīng)過已被廣泛地研究[14,15].體節(jié)是胚胎的一段，更確切地講是指腔構(gòu)造周圍的細(xì)胞塊[14].它是由前體節(jié)中胚層〔presomiticmesoderm,PSM〕-神經(jīng)管兩側(cè)相互平行的兩條間葉組織[14]-有規(guī)律地逐步發(fā)育而來。在這個(gè)經(jīng)過中，體節(jié)以周期性的時(shí)間間隔沿前后軸構(gòu)成，這個(gè)間隔在斑馬魚〔Daniorerio〕中為30min,在雞〔Gallusdomestiaus〕體內(nèi)是90min,在小鼠〔Musmusculus〕中是120min,在人體中則是4h[16].體節(jié)構(gòu)成之后，能夠隨之發(fā)育成骨骼肌、真皮和椎骨。在過去幾十年間，科學(xué)家為尋找周期性基因表示出的控制元件做了很多努力。研究表示清楚，在雞胚中，成纖維細(xì)胞生長因子FGF8介入了時(shí)鐘信號(hào)控制體節(jié)分段的經(jīng)過[17].FGF8的mRNA水平在前體節(jié)中胚層最末端中表示出很高，越靠近最前端越低，在前體節(jié)中胚層中構(gòu)成了一個(gè)梯度〔圖2〕。而成纖維細(xì)胞生長因子8〔fibroblastgrowthfactor8,FGF8〕的過表示出會(huì)阻止分段經(jīng)過并使前體節(jié)中胚層細(xì)胞保持在未成熟的狀態(tài)。

這表示清楚FGF8的表示出水平與前體節(jié)中胚層細(xì)胞的發(fā)育演變密切相關(guān)。有研究提出在雞胚中的FGF8存在一個(gè)閾值，被稱為決定性前沿〔圖2〕。隨著體軸的伸長，決定性前沿會(huì)后退，進(jìn)而使細(xì)胞進(jìn)入分節(jié)經(jīng)過。因而該體節(jié)的邊界距離可能是由振蕩周期決定的。

1.1數(shù)量恒定

另一個(gè)關(guān)于重復(fù)周期性生物構(gòu)造的有趣問題是它們的基本單元數(shù)量是恒定的-如人類的手指就是10根，肋骨為24根，牙齒32顆，椎骨33塊，這是怎樣實(shí)現(xiàn)的呢？是什么樣的機(jī)制決定了這些數(shù)量并保持不變？有科學(xué)家提出，存在一個(gè)停止條件使基A:母體的信號(hào)。預(yù)先混合的細(xì)胞質(zhì)已經(jīng)在卵子發(fā)生經(jīng)過中準(zhǔn)備就緒。在卵子的細(xì)胞質(zhì)中，母系的駝背基因HB〔hunchback〕和尾部基因CAD〔caudal〕轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物均勻分布；卵極基因BCD〔bicoid〕的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物主要位于卵的前極，而其蛋白質(zhì)和RNA復(fù)合物則主要分布在后部。受精后，這些母系轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物會(huì)被迅速翻譯，在受精卵中產(chǎn)生蛋白質(zhì)梯度；B:間歇基因域。嵌入在卵子外表的信號(hào)激活位于受精卵兩極的跨膜受體軀干〔Torso〕。同時(shí)，在沿AP軸的特定位置，一組合子的間歇的基因-如無尾基因TLL〔tailless〕、宏大基因GT〔giant〕和Kr〔Kruppel〕-被母體蛋白質(zhì)的信號(hào)激活；C:成對(duì)基因圖型。固然間隙基因的表示出譜并不是周期性的，它們轉(zhuǎn)錄因子的互相作用和母體蛋白質(zhì)的信號(hào)提供了核子的特定軸向特征。這個(gè)特征是由成對(duì)基因〔如多毛基因H〔hairy〕、侏儒基因run〔runt〕、跳躍基因eve〔skipped〕〕來決定的，進(jìn)而會(huì)產(chǎn)生周期性的基因表示出。成對(duì)基因及其下游基因轉(zhuǎn)錄互相作用〔如體節(jié)缺少基因FTZ〔fushitarazu〕〕細(xì)化了表示出條紋。條紋邊界指示了副節(jié)體邊界；D:節(jié)段極性圖型。盡管成對(duì)基因的表示出是瞬時(shí)的，一旦細(xì)胞邊界構(gòu)成，每個(gè)副節(jié)體中的成對(duì)基因的蛋白質(zhì)就會(huì)激活節(jié)段極性基因，并使其穩(wěn)定表示出。一些基因的表示出-如鋸齒基因en〔engrailed〕基因-即便在成人體內(nèi)也是穩(wěn)定的。副節(jié)體的邊界在表示出en和無翼基因WG〔wingless〕的細(xì)胞之間構(gòu)成。隨后，節(jié)體邊界會(huì)基于副節(jié)體生成。改編自Peel等人[13]的研究本單元的重復(fù)終止[10].一旦停止條件失去作用，那么單元將不斷重復(fù)。實(shí)際上，這樣的無限重復(fù)突變體已經(jīng)越來越多地出如今科學(xué)家的視野中。例如，在線蟲〔Caenorhabditiselegans〕中，unc-86的突變引發(fā)細(xì)胞譜系屢次重復(fù)[19];果蠅的bag-of-marbles突變使卵巢囊泡的細(xì)胞數(shù)量從16增加到幾百[20];在金魚草〔AntirrhinummajusL.〕中，花序〔floricaula〕突變使花成為重復(fù)的分生組織[21].

通常來講，假如給定單元的大小，圖案出現(xiàn)的數(shù)量是由體型大小決定的。雄性短吻鱷〔OsteolaemustetraspisCope〕背部的條紋比雌性多，由于它們的身體更長[22].然而，單元數(shù)量可以以與體型無關(guān)，如非洲爪蟾〔Xenopuslaevis〕的體節(jié)數(shù)[23].

1.2重復(fù)周期性圖案的模型

不構(gòu)建出研究對(duì)象的力學(xué)模型，我是不會(huì)滿意的。假如我成功地建立了模型，才能講明我理解這個(gè)問題。否則就不能講我理解了它。-開爾文勛爵對(duì)于重復(fù)周期性構(gòu)造/圖案的研究表示清楚數(shù)學(xué)模型是必不可少的。模型能夠整合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，提取其關(guān)鍵部分，預(yù)測其在遺傳或物理擾動(dòng)下的結(jié)果。而總結(jié)不同層面的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，使之成為數(shù)學(xué)模型確實(shí)是一項(xiàng)很有難度的挑戰(zhàn)。到當(dāng)前為止，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型有兩種主要方式方法：〔ⅰ〕分析系統(tǒng)中每一個(gè)組件，模擬系統(tǒng)中的每一次相互作用[24].〔ⅱ〕省略系統(tǒng)的細(xì)枝末節(jié)，只提取其本質(zhì)[25].研討會(huì)論文中提出了這個(gè)偉大的模型[29].常理上講，