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摘要结合基因表达调控和信号转导来研究细胞的应激响应是当前的研究热点。p53蛋白是细胞最重要的肿瘤抑制因子之一，介导细胞应答多种应激信号，如DNA损伤、癌基因活化等。限于当前的实验条件，在单细胞水平上揭示细胞应激响应的分子机制依然是一个巨大挑战。通过构建数学模型，刻画细胞信息处理的动力学，提供整合的、细胞动态响应的图像，被认为是对实验的重要补充，正发挥着越来越大的作用。本文通过建立以p53为中心的网络模型和开展数值计算，研究在细胞的DNA损伤应激反应(DDR)中，p53浓度振荡过程中涨落现象的分子机制，以及TGF-β信号通路如何与p53通路协同调控细胞命运抉择的分子机制，取得了一些重要研究结果。<br>　　近年来，一系列的实验工作发现，在细胞应答电离辐射诱导的DNA损伤过程中，p53等分子的浓度呈现振荡，但振荡是不规则的，特别是振幅涨落较大。为阐述其分子机制，我们建立了由p53网络中核心调控模块组成的网络模型，描述了ATM和p53的激活、Mdm2和Wip1的表达及其对ATM和p53的反馈调控等过程。在确定性模型中，用常微分方程组刻画组分浓度随时间的变化率，求解浓度的时间演化。我们发现ATM-p53-Wip1负反馈是实现p53振荡的结构基础，而p53-Mdm2负反馈则不是必需的。系统可以在相对较宽的参数范围内实现振荡。细胞工作在噪声的环境中;我们根据网络中发生的生化反应，给出了系统的随机模型，刻画分子数随时间的演化。由于实验发现，DDR过程中p53分子数的量级在105，故单纯内噪声引起的振幅涨落系数CV的值非常小。基因的转录等过程存在显著噪声，这些噪声通常含有时间关联，即它们是色噪声。对本底和最大受控转录速率引入色噪声，显著增加了CV值，而且色噪声的关联时间和强度起着不同的作用。综合考虑细胞间的异质性、内噪声和外色噪声，模拟结果给出的CV值和振荡特征量的直方图都与实验数据吻合。在细胞群体水平上，细胞间的异质性对涨落的贡献最大。这样，我们对p53振荡的涨落效应给出了一个清晰的物理图像。这些结果澄清了以往研究的一些看法，丰富了人们对p53振荡的认识。我们还提出新的随机模拟算法，有望推动相关问题的研究。<br>　　TGF-β是细胞分泌在膜外基质层中的细胞因子，常以非活性的前体形式存在。电离辐射可激活TGF-β，进而与膜上受体特异性结合，通过Smad蛋白将信号传导入核，影响细胞对电离辐射的敏感性。TGF-β通路如何与p53信号通路合作调控细胞的命运抉择，是一个远未清楚的问题。我们构建了多模块的网络模型，包括DNA损伤的产生和修复、p53活化、TGF-β信号传导和细胞命运选择等，研究细胞对DNA损伤的应激响应动力学。模型刻画了ATM和p53的活化，p53表达Mdm2、Bax和p21，Bax促进细胞色素c(Cytc)由线粒体释放到胞浆，Smad2/3的活化，Smad∶Cmplx表达Smad7和miR-21以及辅助表达Mdm2和p21，涉及Caspase3活化的两个正反馈环等。模拟结果显示，低DNA损伤情形下，p53会维持在激发态一段时间，表达p21等，阻断细胞周期进程，为DNA修复赢得时间。修复完成后，细胞回到正常的周期进程中。高损伤形形下，p53会持续维持在激发态，促进Cytc的累积，进而活化Caspase3，诱导细胞凋亡。如果抑制TGF-β信号通路，降低Smad2/3的磷酸化水平，则减少miR-21表达，有利于凋亡提前发生。直接减弱miR-21的生成也有类似效果。此外，减弱转录复合物Smad∶Cmplx对Mdm2的转录激活，能促进p53维持在高水平，提高凋亡发生几率。因此，TGF-β通路与p53通路的耦合，增强了对细胞命运的调控能力。数值模拟结果与实验观测相吻合，并给出了可供实验检验的理论预言。我们的工作给出了抑制TGF-β通路的激活有利于促进细胞凋亡的可能分子机制，为提高肿瘤的治疗效果提供了新思路。<br>　　论文内容安排如下:第一章介绍与研究相关的生物学背景知识、非线性动力学理论及随机模拟方法;主要介绍p53蛋白、微小RNA等、TGF-β、非线性系统稳定性分析、生化反应的随机模拟算法等。第二章整合研究了网络反馈结构、内外噪声、细胞异质性等对p53振荡的影响。第三章分析了在耦合了TGF-β和p53信号通路的网络模型中，细胞命运抉择如何被调控等。第四章总结了上述两个工作，并展望了未来可继续开展的工作。