中醫藥學與合成生物學（二）：toggle switch中的陰陽相互作用機制

傳統中醫藥學與最新發展的合成生物學（synthetic biology）之間存在有許多奇妙的聯系，這是一個生動、有趣且引人入勝的話題。

關于中醫藥學與合成生物學的研究，前文以合成“抑制振動子（repressilator）”為例，討論了“抑制振動子及其作用與“方-證對應相關”理論和新一代基因網絡藥物設計”的問題［1-2］。本文討論存在于toggle switch（一種協作結合的基因開關）中的陰陽相互作用機制。

隨著基因組、轉錄組以及“后基因組時代”系統和網絡生物學（system＆network biology）研究的快速發展，生物學家逐步地闡明了基因組作為“預裝整套生命活動共有信息”的“共有信息池（common pool of information）”的作用及其遺傳信息的表達調控機制，這為人工仿生合成特定的基因調控網絡提供了思維方式、理論依據和技術路徑。目前，合成生物學的研究已經取得了許多重要進展，展現出了極其廣闊的開發前景?？梢灶A計，在不遠的將來，合成生物學產業（Synthetic biology industry）或者產業化的合成生物學（Industrialized synthetic biology）將是一個可實現重新組裝生命或改變生命歷程，設計和合成全新的網絡藥物（network drug），更具前沿性、高端性和極具技術競爭性的高新生物技術產業，其帶給人類的影響和世界的改變將是具有“爆炸性”的。

在許多合成生物學的研究中，2000年由美國波士頓大學Tim Gardner等人利用生物零件（biobrick）在大腸桿菌（E.coli）成功的合成基因開關toggle switch［3］是一個頗具標志性的成果。

截至目前的研究表明，生命在不同的活動水平以及幾乎全部的生物學過程及功能中（例如基因調控、信號轉導、代謝、細胞分裂和分化、細胞周期、細胞命運決定及衰老進程、信息記憶和再現以及環境適應等）廣泛存在并普遍利用著生物開關機制，而基因開關就是一種存在于基因表達調控系統中，對于決定生命遺傳信息的遞呈并最終決定生命表型發揮重要作用的生物開關（bioswitch）?；蜷_關在本質上是一種由特定的啟動子、抑制子、誘導物等基因器件（gene device）和基因線路（gene circuit）組成，對特定的基因表達過程或時空順序能夠產生開關效應的基因調控網絡。基因開關是一種在原核生物和真核生物中都普遍存在的一種保證遺傳信息準確和高統計性質量的轉錄并翻譯至蛋白質分子中的基因表達調控機制。

基因開關存在于基因表達過程中的不同表達時空節點，且結構和功能呈現多態性和多樣性，例如可以由單基因，也可以由雙基因或多基因組成，且其作用有可逆性的和不可逆性的，不可逆性的基因開關通過相互抑制和相互激活兩種不同的動力學方式調控眾多的生命不可逆進程（例如細胞定向分化、細胞凋亡或衰老等）［4］?；蜷_關普遍具有可以經過非線性隨機動力學過程進入雙穩態或多穩態的特性，這一特性是進化和遺傳賦予給生命的一種獨特的，用以保證生命在隨機噪聲擾動下得以正常活動的一種安全性機制，就像物理結構中的雙穩態所具有的突彈跳變（snap-through）性質一樣，這一分子機制可能與疾病發生、病理性代償以及某些奇特的生命潛能相關聯。

除了基因開關［3，5-6］，典型的雙穩生物系統還如 λ 噬菌體（phage）的裂解-溶原通路（lysis-lysogeny pathway）［7-9］、細胞信號轉導通路（cellular signal transduction pathway）［10-13］、細胞周期［14］等。目前已經得到研究的基因開關包括：

（1）操縱子（operon）。這是一類早在20世紀60年代就發現的在原核生物中普遍存在的一類基因開關，只不過那時和一直以來沒有被賦予基因開關的名稱。例如乳糖操縱子、阿拉伯糖操縱子、組氨酸操縱子、色氨酸操縱子等。原核生物中大多數基因表達調控都是通過操縱子開關機制實現的。

（2）單基因雙穩開關（single-gene bistable switch）［15-17］。研究表明，生命系統中每一個基因的表達都存在著一種自調控機制，這就是單基因雙穩開關。一個基因常常表達一個抑制子，抑制子以不同的生物化學形式（例如抑制子的二聚物等）作用于啟動子區域的不同結合位點，從而對基因表達分別產生正反饋和負反饋的調節作用。目前，已經有許多關于這一開關系統的動力學行為及狀態的研究，有興趣的讀者可進一步參閱文獻［18］。這些已有的動力學研究證明，在不同的參數條件下，單基因雙穩開關可以呈現單穩態，但也能夠進入雙穩態，且可以在單穩態和雙穩態之間進行切換。

（3）雙基因雙穩開關（bi-gene＆bistable switch）。目前知道，此基因開關有協作結合型和非協作結合型［19-20］兩種類型，而非協作結合型基因開關又可進一步分為普通開關（general switch）［21］、排斥開關（exclusive switch）［19］、結合蛋白壓制降解開關 （bound repressor degradation），而toggle switch［3］就是一種協作結合型的雙基因雙穩開關。

（4）核糖開關（riboswitch）［22］。核糖開關位于mRNA的非翻譯區（untranslatedregions），能夠直接感受胞內外信號并引起自身二級結構的變化，在轉錄或后轉錄（翻譯和mRNA穩定性）水平實現對下游相關基因的表達調控。根據目前發現的核糖開關所能識別的信號因子類型，有研究將核糖開關分為4類，即小分子代謝物、金屬離子、環境因素及空載tRNA敏感的核糖開關，其中，小分子代謝物敏感的核糖開關是發現最早、研究最多且最深入的一類核糖開關。核糖開關的發現，證明核酸分子可以直接感受胞內信號分子或胞外環境變化而實現基因表達的調控，打破了一直以來人們將基因表達調控機制研究的焦點局限于轉錄因子的認知。據已有的研究結果，核糖開關更多地存在于原核生物及細菌體中，不過科學家們卻相信，核糖開關機制無論在原核生物，還是在真核生物中，抑或植物和動物體內都可能普遍存在，是目前在基因表達調控機制研究中一個備受關注的研究熱點。

以上只是列舉了一些已經得到研究的基因開關，隨著科學家們對基因表達調控機制的不斷深入了解，相信會有更多的，存在于基因表達調控網絡中的基因開關被發現出來。

目前和未來對基因開關的研究，大致聚焦在以下幾個方面：（1）基因開關的組成及結構；（2）基因開關切換的非線性隨機動力學特性及其數學模型；（3）內源性和外源性特定和隨機噪聲對基因開關切換狀態的影響；（4）基因開關的合成；（5）合成基因開關網絡作為檢測基因表達過程的診斷工具；（6）基因開關網絡作為用于靶向調控基因表達的網絡藥物。

目前，這方面的研究已經取得了或正在取得快速發展。例如，關于基因開關的組成及結構及其非線性隨機動力學和數學模型的研究［18］、合成基因開關的研究［3］以及關于噪聲對基因開關切換狀態影響的研究等。

因為可以基于噪聲對基因開關及其基因表達調控過程及狀態的影響進行關于疾病的全新病因學研究，所以有關噪聲影響基因開關切換狀態的研究是一個特別令人有興趣的領域。

可以從不同的角度對影響基因開關及其基因表達調控過程及狀態的噪聲進行分類：

（1）內部噪聲。來源于基因表達以及與其相伴隨的基因表達調控機制（例如基因開關）中存在著的隨機漲落（random fluctuation）。

（2）外部噪聲。來源于基因開關和基因表達過程的上游因子，例如轉錄因子或代謝因子等。基于基因表達及其基因表達調控機制中的隨機漲落，表達的蛋白質性質及其在細胞中的濃度也會隨之產生隨機漲落，且蛋白質的濃度由于隨機性在細胞與細胞之間存在差異［23-24］。

（3）加性噪聲。

（4）乘性噪聲。

噪聲對基因開關及其基因表達調控過程及狀態的影響均具有隨機性和非線性，且可在基因表達系統和網絡中傳播和被調控級聯加以擴大［25］。換句話說，非線性隨機性是噪聲影響基因開關及其基因表達調控過程及狀態的一個極為顯著的特征。目前，已經有許多學者就這一特征的非線性隨機動力學機制進行了研究，這些研究結果表明，基于非線性隨機性，噪聲既可以對基因開關及其基因表達系統形成破壞性擾動，但也可以誘導基因開關及其基因表達系統出現新的動力學行為，例如基因開關的連貫切換［26］和同步切換［27］等。關于這一方面的研究，有興趣的讀者可以進一步參閱有關文獻［5，28-30］。毫無疑問和極為有趣的是，關于噪聲以其特有的非線性隨機性影響基因開關及其基因表達調控過程及狀態的研究為我們采用全新的視角和思維，在基因表達水平上開展病因學和發病學的研究開辟了一條新的理論和技術路徑，特別是這一方向的病因學和發病學研究所凸現出來的與傳統中醫學病因病機學理論的相似性更是引人入勝。關于這一方面的研究我們將另文討論。

以上所討論的基因開關是內源性的，即存在于基因表達調控系統和網絡中的基因開關，隨著系統和網絡正向生物工程（system and network forward bioengineering）技術以及合成生物學的發展，有關設計合成外源性基因開關的研究也正在取得一系列重要進展。據此可以預期，合成的基因開關既可以作為基因網絡藥物（gene network drug）或網絡藥物，用以對細胞內特定的基因表達網絡進行靶向調控，也可以作為“基因網絡探針（gene network probe）”，用以在基因表達的不同水平或不同時空序列上對基因調控網絡狀態進行監測。這一領域的研究在不遠的將來將推動臨床醫學發生革命性變化［2］。

在合成的外源性基因開關中，toggle switch就是一個合成的協作結合型的基因開關，在本質上，toggle switch實際上是一個具有生物開關作用（bioswitch action）的雙基因雙穩態基因調控網絡（bigene＆bistable gene regulation network）。toggle switch由兩個抑制蛋白和兩個啟動子組成，且其構型和相互作用具有相互交叉的時空順序，即抑制蛋白1和啟動子2相鄰，抑制蛋白2和啟動子1相鄰，而抑制蛋白1卻跨過啟動子2壓制啟動子1的轉錄并且可由誘導子1誘導，抑制蛋白2跨過啟動子1壓制啟動子2的轉錄并且可由誘導子2誘導。該基因開關對應于兩個相互抑制或相互促進的基因并對其發揮調控作用，而在相互抑制的兩個基因中，存在兩個穩態on/off和off/on，即兩個基因只有一個處于表達狀態，在相互促進的兩個基因中，同樣存在兩個穩態on/on和off/off，即兩個基因同時表達或關閉。目前，科學家們已經給出了用于描述“toggle switch基因表達調控系統（regulated gene expression system by toggle switch）”動力學行為及其產生雙穩態條件的動力學方程：

方程中α1和α2分別是兩個蛋白質的有效合成率，參數β和γ則刻畫兩個抑制蛋白相互抑制的協作性，對于適當的系統參數，該基因表達系統可能只有一個平衡點，但也可能產生雙穩態甚至出現3個或4個穩定平衡態，其產生條件需要通過多參數分支得到。有關該系統詳細的動力學分析可參閱文獻［3］。

極為有趣的是，如果我們將“toggle switch基因表達調控系統”中的抑制蛋白、啟動子以及on/off狀態采用中醫藥學的“陰”和“陽”表示，則可以驚奇地發現，這種在“toggle switch基因表達調控系統”中存在的抑制蛋白、啟動子以及on/off狀態的相互作用和相互依存機制與中醫藥學關于陰陽相互作用的機制具有完全的一致性！由此進一步引申分析，則還可以更加驚奇地發現，生命系統在分子水平普遍利用的生物開關機制與中醫藥學關于陰陽相互作用的機制均具有完全的似然性！

發現和認識到這一點有著非常的意義且具有豐富的啟發性，這種意義和啟發性不僅僅只在于在一個非常前沿性的研究領域對中醫藥學的陰陽理論做出了重新驗證，而且還在于它激發了我們一系列的好奇心和想象力，令我們利用“toggle switch基因表達調控系統”模型做出一些富有巧妙性和創造性的設計，并以其非線性隨機性動力學行為作為靶參數去二次研究中醫藥學的陰陽理論，這無疑將使我們能夠對中醫藥學的陰陽理論有許多重要的重新發現和應用。

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