中医药学与合成生物学（二）：toggle switch中的阴阳相互作用机制

传统中医药学与最新发展的合成生物学（synthetic biology）之间存在有许多奇妙的联系，这是一个生动、有趣且引人入胜的话题。

关于中医药学与合成生物学的研究，前文以合成“抑制振动子（repressilator）”为例，讨论了“抑制振动子及其作用与“方-证对应相关”理论和新一代基因网络药物设计”的问题［1-2］。本文讨论存在于toggle switch（一种协作结合的基因开关）中的阴阳相互作用机制。

随着基因组、转录组以及“后基因组时代”系统和网络生物学（system＆network biology）研究的快速发展，生物学家逐步地阐明了基因组作为“预装整套生命活动共有信息”的“共有信息池（common pool of information）”的作用及其遗传信息的表达调控机制，这为人工仿生合成特定的基因调控网络提供了思维方式、理论依据和技术路径。目前，合成生物学的研究已经取得了许多重要进展，展现出了极其广阔的开发前景。可以预计，在不远的将来，合成生物学产业（Synthetic biology industry）或者产业化的合成生物学（Industrialized synthetic biology）将是一个可实现重新组装生命或改变生命历程，设计和合成全新的网络药物（network drug），更具前沿性、高端性和极具技术竞争性的高新生物技术产业，其带给人类的影响和世界的改变将是具有“爆炸性”的。

在许多合成生物学的研究中，2000年由美国波士顿大学Tim Gardner等人利用生物零件（biobrick）在大肠杆菌（E.coli）成功的合成基因开关toggle switch［3］是一个颇具标志性的成果。

截至目前的研究表明，生命在不同的活动水平以及几乎全部的生物学过程及功能中（例如基因调控、信号转导、代谢、细胞分裂和分化、细胞周期、细胞命运决定及衰老进程、信息记忆和再现以及环境适应等）广泛存在并普遍利用着生物开关机制，而基因开关就是一种存在于基因表达调控系统中，对于决定生命遗传信息的递呈并最终决定生命表型发挥重要作用的生物开关（bioswitch）。基因开关在本质上是一种由特定的启动子、抑制子、诱导物等基因器件（gene device）和基因线路（gene circuit）组成，对特定的基因表达过程或时空顺序能够产生开关效应的基因调控网络。基因开关是一种在原核生物和真核生物中都普遍存在的一种保证遗传信息准确和高统计性质量的转录并翻译至蛋白质分子中的基因表达调控机制。

基因开关存在于基因表达过程中的不同表达时空节点，且结构和功能呈现多态性和多样性，例如可以由单基因，也可以由双基因或多基因组成，且其作用有可逆性的和不可逆性的，不可逆性的基因开关通过相互抑制和相互激活两种不同的动力学方式调控众多的生命不可逆进程（例如细胞定向分化、细胞凋亡或衰老等）［4］。基因开关普遍具有可以经过非线性随机动力学过程进入双稳态或多稳态的特性，这一特性是进化和遗传赋予给生命的一种独特的，用以保证生命在随机噪声扰动下得以正常活动的一种安全性机制，就像物理结构中的双稳态所具有的突弹跳变（snap-through）性质一样，这一分子机制可能与疾病发生、病理性代偿以及某些奇特的生命潜能相关联。

除了基因开关［3，5-6］，典型的双稳生物系统还如 λ 噬菌体（phage）的裂解-溶原通路（lysis-lysogeny pathway）［7-9］、细胞信号转导通路（cellular signal transduction pathway）［10-13］、细胞周期［14］等。目前已经得到研究的基因开关包括：

（1）操纵子（operon）。这是一类早在20世纪60年代就发现的在原核生物中普遍存在的一类基因开关，只不过那时和一直以来没有被赋予基因开关的名称。例如乳糖操纵子、阿拉伯糖操纵子、组氨酸操纵子、色氨酸操纵子等。原核生物中大多数基因表达调控都是通过操纵子开关机制实现的。

（2）单基因双稳开关（single-gene bistable switch）［15-17］。研究表明，生命系统中每一个基因的表达都存在着一种自调控机制，这就是单基因双稳开关。一个基因常常表达一个抑制子，抑制子以不同的生物化学形式（例如抑制子的二聚物等）作用于启动子区域的不同结合位点，从而对基因表达分别产生正反馈和负反馈的调节作用。目前，已经有许多关于这一开关系统的动力学行为及状态的研究，有兴趣的读者可进一步参阅文献［18］。这些已有的动力学研究证明，在不同的参数条件下，单基因双稳开关可以呈现单稳态，但也能够进入双稳态，且可以在单稳态和双稳态之间进行切换。

（3）双基因双稳开关（bi-gene＆bistable switch）。目前知道，此基因开关有协作结合型和非协作结合型［19-20］两种类型，而非协作结合型基因开关又可进一步分为普通开关（general switch）［21］、排斥开关（exclusive switch）［19］、结合蛋白压制降解开关 （bound repressor degradation），而toggle switch［3］就是一种协作结合型的双基因双稳开关。

（4）核糖开关（riboswitch）［22］。核糖开关位于mRNA的非翻译区（untranslatedregions），能够直接感受胞内外信号并引起自身二级结构的变化，在转录或后转录（翻译和mRNA稳定性）水平实现对下游相关基因的表达调控。根据目前发现的核糖开关所能识别的信号因子类型，有研究将核糖开关分为4类，即小分子代谢物、金属离子、环境因素及空载tRNA敏感的核糖开关，其中，小分子代谢物敏感的核糖开关是发现最早、研究最多且最深入的一类核糖开关。核糖开关的发现，证明核酸分子可以直接感受胞内信号分子或胞外环境变化而实现基因表达的调控，打破了一直以来人们将基因表达调控机制研究的焦点局限于转录因子的认知。据已有的研究结果，核糖开关更多地存在于原核生物及细菌体中，不过科学家们却相信，核糖开关机制无论在原核生物，还是在真核生物中，抑或植物和动物体内都可能普遍存在，是目前在基因表达调控机制研究中一个备受关注的研究热点。

以上只是列举了一些已经得到研究的基因开关，随着科学家们对基因表达调控机制的不断深入了解，相信会有更多的，存在于基因表达调控网络中的基因开关被发现出来。

目前和未来对基因开关的研究，大致聚焦在以下几个方面：（1）基因开关的组成及结构；（2）基因开关切换的非线性随机动力学特性及其数学模型；（3）内源性和外源性特定和随机噪声对基因开关切换状态的影响；（4）基因开关的合成；（5）合成基因开关网络作为检测基因表达过程的诊断工具；（6）基因开关网络作为用于靶向调控基因表达的网络药物。

目前，这方面的研究已经取得了或正在取得快速发展。例如，关于基因开关的组成及结构及其非线性随机动力学和数学模型的研究［18］、合成基因开关的研究［3］以及关于噪声对基因开关切换状态影响的研究等。

因为可以基于噪声对基因开关及其基因表达调控过程及状态的影响进行关于疾病的全新病因学研究，所以有关噪声影响基因开关切换状态的研究是一个特别令人有兴趣的领域。

可以从不同的角度对影响基因开关及其基因表达调控过程及状态的噪声进行分类：

（1）内部噪声。来源于基因表达以及与其相伴随的基因表达调控机制（例如基因开关）中存在着的随机涨落（random fluctuation）。

（2）外部噪声。来源于基因开关和基因表达过程的上游因子，例如转录因子或代谢因子等。基于基因表达及其基因表达调控机制中的随机涨落，表达的蛋白质性质及其在细胞中的浓度也会随之产生随机涨落，且蛋白质的浓度由于随机性在细胞与细胞之间存在差异［23-24］。

（3）加性噪声。

（4）乘性噪声。

噪声对基因开关及其基因表达调控过程及状态的影响均具有随机性和非线性，且可在基因表达系统和网络中传播和被调控级联加以扩大［25］。换句话说，非线性随机性是噪声影响基因开关及其基因表达调控过程及状态的一个极为显著的特征。目前，已经有许多学者就这一特征的非线性随机动力学机制进行了研究，这些研究结果表明，基于非线性随机性，噪声既可以对基因开关及其基因表达系统形成破坏性扰动，但也可以诱导基因开关及其基因表达系统出现新的动力学行为，例如基因开关的连贯切换［26］和同步切换［27］等。关于这一方面的研究，有兴趣的读者可以进一步参阅有关文献［5，28-30］。毫无疑问和极为有趣的是，关于噪声以其特有的非线性随机性影响基因开关及其基因表达调控过程及状态的研究为我们采用全新的视角和思维，在基因表达水平上开展病因学和发病学的研究开辟了一条新的理论和技术路径，特别是这一方向的病因学和发病学研究所凸现出来的与传统中医学病因病机学理论的相似性更是引人入胜。关于这一方面的研究我们将另文讨论。

以上所讨论的基因开关是内源性的，即存在于基因表达调控系统和网络中的基因开关，随着系统和网络正向生物工程（system and network forward bioengineering）技术以及合成生物学的发展，有关设计合成外源性基因开关的研究也正在取得一系列重要进展。据此可以预期，合成的基因开关既可以作为基因网络药物（gene network drug）或网络药物，用以对细胞内特定的基因表达网络进行靶向调控，也可以作为“基因网络探针（gene network probe）”，用以在基因表达的不同水平或不同时空序列上对基因调控网络状态进行监测。这一领域的研究在不远的将来将推动临床医学发生革命性变化［2］。

在合成的外源性基因开关中，toggle switch就是一个合成的协作结合型的基因开关，在本质上，toggle switch实际上是一个具有生物开关作用（bioswitch action）的双基因双稳态基因调控网络（bigene＆bistable gene regulation network）。toggle switch由两个抑制蛋白和两个启动子组成，且其构型和相互作用具有相互交叉的时空顺序，即抑制蛋白1和启动子2相邻，抑制蛋白2和启动子1相邻，而抑制蛋白1却跨过启动子2压制启动子1的转录并且可由诱导子1诱导，抑制蛋白2跨过启动子1压制启动子2的转录并且可由诱导子2诱导。该基因开关对应于两个相互抑制或相互促进的基因并对其发挥调控作用，而在相互抑制的两个基因中，存在两个稳态on/off和off/on，即两个基因只有一个处于表达状态，在相互促进的两个基因中，同样存在两个稳态on/on和off/off，即两个基因同时表达或关闭。目前，科学家们已经给出了用于描述“toggle switch基因表达调控系统（regulated gene expression system by toggle switch）”动力学行为及其产生双稳态条件的动力学方程：

方程中α1和α2分别是两个蛋白质的有效合成率，参数β和γ则刻画两个抑制蛋白相互抑制的协作性，对于适当的系统参数，该基因表达系统可能只有一个平衡点，但也可能产生双稳态甚至出现3个或4个稳定平衡态，其产生条件需要通过多参数分支得到。有关该系统详细的动力学分析可参阅文献［3］。

极为有趣的是，如果我们将“toggle switch基因表达调控系统”中的抑制蛋白、启动子以及on/off状态采用中医药学的“阴”和“阳”表示，则可以惊奇地发现，这种在“toggle switch基因表达调控系统”中存在的抑制蛋白、启动子以及on/off状态的相互作用和相互依存机制与中医药学关于阴阳相互作用的机制具有完全的一致性！由此进一步引申分析，则还可以更加惊奇地发现，生命系统在分子水平普遍利用的生物开关机制与中医药学关于阴阳相互作用的机制均具有完全的似然性！

发现和认识到这一点有着非常的意义且具有丰富的启发性，这种意义和启发性不仅仅只在于在一个非常前沿性的研究领域对中医药学的阴阳理论做出了重新验证，而且还在于它激发了我们一系列的好奇心和想象力，令我们利用“toggle switch基因表达调控系统”模型做出一些富有巧妙性和创造性的设计，并以其非线性随机性动力学行为作为靶参数去二次研究中医药学的阴阳理论，这无疑将使我们能够对中医药学的阴阳理论有许多重要的重新发现和应用。

［1］冯前进，刘润兰.中医药学与合成生物学（一）：抑制振动子及其作用与“方-证对应相关”理论和新一代基因网络药物设计［J］.山西中医学院学报，2012，13（5）：封二.

［2］Feng Q j.Study of new disease-drug network and network drug based on Chinese medicine formulae（方）-ZHENG（证）correlation［C］.Academic Conference on System and Network Biology ＆ Traditional Chinese Medicine，Adelaide：The University of Adelaide，2012.

［3］Gandner T S，Cantor C R，Collins J J.Construction of a genetic toggle switch in Escherichia coli［J］.Nature，2000，403（6767）：339-342.

［4］Tyson J J，Chen K C，Novak B.Sniffers，buzzers，toggles and blinkers：dynamics of regulatory and signaling pathways in the cell［J］.Curr Opin Cell Biol，2003，15（2）：221-231.

［5］Kobayashi H，Kaern M，Araki M，et al.Programmable cells：Interfacing natural and engineered gene networks［J］.Proc Natl Acad Sci USA，2004，101（22）：8414-8419.

［6］Kramer B P，Viretta A U，ElBaba M D，et al.An engineered epigenetic transgene switch in mammalian cells［J］.Nat Biotechnol，2004，22（7）：867-870.

［7］Ptashne M A.Genetic switch phage λ and higher organisms［M］.Cambridge：Cell Press，1992.

［8］McAdams H H，Arkin A.Stochastic mechanisms in gene expression［J］.Proc Natl Acad Sci USA，1997，201（94）：814-819.

［9］Issacs F J，Hasty J，Cantor C R，et al.Prediction and measurement of an autoregulatroy genetic module［J］.Proc Natl Acad Sci USA，2003，100（13）：7714-7719.

［10］Xiong W，Ferrell Je Jr.Apositive-feedback-based bistable memory module that governs a cell fate decision［J］.Nature，2003，426（6771）：460-464.

［11］Bagowski C P，Ferrell J E.Bistability in the JNK cascade［J］.Curr Biol，2001（11）：1176-1182.

［12］Harding A，Tian T，Westbury E，et al.Subcellular localization determines MAP kinase signal output［J］.Curr Bio，2005,15（9）：869-873.

［13］Markevich N I，Hoek J B，Kholodenko B N.Signaling switches and bistability arising from multisite phosphorylation in protein kinase cascades［J］.J Cell Biol，2004，164（3）：353-359.

［14］Pomerening J R，Sontag E D，Ferrell Je Jr.Building a cell cycle oscillator：Hysteresis and bistability in the activation of Cdc2［J］.Nat Cell Biol，2003，5（4）：346-351.

［15］Smolen P，Baxter D A，Byme J H.Frequency selectivity，multistability，and oscillations.Emerge from models of genetic regulatory systems［J］.Americam Journal of Physiology，1998，274（1/2）：531-542.

［16］Karin U.Signal transduction from the cell surface to the nucleus through the phosphorylation of transcription factors［J］.Curr.Opin.Cell Biol，1994，6（3）：415-424.

［17］Hasty J，Pradiners J，Dolnik M，et al.Noise-based switches and amplifiers for gene expression［J］.PNAS，2000，97（5）：2075-2080.

［18］周天寿.生物系统的随机动力学［M］.北京：科学出版社，2009：90-96.

［19］Lipshtat A，Loinger A，Balaban N O，et al.Genetic toggle switch without cooperative binding［J］.Phy Rev Lett，2006，96（18）：188101.

［20］Lipshtat A，Loinger A，Balaban N O，et al.Stochstic simulations of genetic switch systems［J］.Phys Rev E，2007，75（2）：21904.

［21］Warren P B，Ten Wolde P R.Enhancement of the stability of genetic switchesby overlapping upstream regulatory domains［J］.Phys Rev Lett，2004，92（12）：128101.

［22］赵谨，杨克恭，张学.一种新发现的基因表达调控机制-核糖开关［J］.中国生物化学与分子生物学报，2005，21（2），151-157.

［23］McAdams H H，Arkin A.It′s a noisy business!Genetic regulation at the nanomolar scale［J］.Trens Genet，1999，15（2）：65-69.

［24］Kaern M，Blston T C，Blake W J，et al.Stochasticity in gene expression：from theories to phenotypes［J］.Nat Rev Genet，2005，6（6）：451-464.

［25］Blake W J，Kaern M，Cantor C R，et al.Noise in eukaryotic gene expression［J］.Nature，2003，422（6770）：633-637.

［26］苑占江，张家军，周天寿.噪声诱导的连贯切换［J］.中国科学 B缉：化学，2007，37（5）：446-452.

［27］Wang J W，Zhang J J，Yuan Z J，et al.Noise-induced switches in network system of the genetic toggle switch［J］.BMC Syst Biol，2007，15（1）：50.

［28］冯晶，许勇，李娟娟.非高斯噪声激励下的基因转录调控系统［J］.动力学与控制学报，2012，10（4）：325-328.

［29］Hasty J，Isaacs F，Dolnik M，et al.Designer gene network：Towards fundamental cellular control［J］.Chaos，2001，11（1）：207-219.

［30］王志伟，侯中怀，辛厚文.合成基因网络中的内信号随机共振［J］.中国科学 B 缉：化学，2003，35（3）：189-193.