2017年11月22日，北京大門生命科學(xué)學(xué)院、前沿交叉學(xué)科研究院定量生物學(xué)中間、北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中間魏平課題組在《細(xì)胞》（cell）子刊《細(xì)胞·體系》（Cell Systems）雜志發(fā)表題為“Design of Tunable Oscillatory Dynamics in a Synthetic NF-κB Signaling Circuit”的封面文章，報(bào)道了該課題組在生物振蕩研究中取得的緊張進(jìn)展。該工作通過人工設(shè)計(jì)的體例，在酵母細(xì)胞中重構(gòu)了人源NF-κ

北京大學(xué)函授報(bào)名、北京大學(xué)成人高考報(bào)名

B旌旗燈號(hào)體系，結(jié)合細(xì)胞實(shí)驗(yàn)與理論模型，揭示了分子網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)旌旗燈號(hào)通路振蕩舉動(dòng)的調(diào)控機(jī)制【同期評(píng)論：http://www.cell.com/cell-systems/fulltext/S2405-4712(17)30496-9】。

周期性振蕩是生命運(yùn)動(dòng)中普遍存在的征象，如晝夜節(jié)律、細(xì)胞周期，以及胚胎發(fā)育等，精準(zhǔn)調(diào)控生命過程中的時(shí)序性舉動(dòng)。令人驚訝的是，近年來發(fā)現(xiàn)特定分子的振蕩舉動(dòng)在單個(gè)細(xì)胞命運(yùn)調(diào)控中起著至關(guān)緊張的作用，如聞名的抑癌基因p53、炎癥相應(yīng)中的NF-κB轉(zhuǎn)錄因子等。細(xì)胞能夠?qū)⒉煌悇e、強(qiáng)度、時(shí)間長(zhǎng)度的環(huán)境旌旗燈號(hào)編碼成具有特定幅度或頻率的分子振蕩?kù)浩鞜籼?hào)，以控制特定的細(xì)胞內(nèi)基因表達(dá)，從而決定細(xì)胞功能與命運(yùn)。該過程暗示著生命體系采用了類似無(wú)線電通信中的旌旗燈號(hào)編碼情勢(shì)，通過調(diào)制振幅或者頻率來傳遞信息。然而生物體系中振蕩舉動(dòng)自己的非線性特性以及高度復(fù)雜，對(duì)于細(xì)胞如何實(shí)現(xiàn)并精準(zhǔn)調(diào)控這種振蕩功能一向是待解之謎。

近年來新興的合成生物學(xué)提出了一種研究復(fù)雜生物體系的全新思路，即通過人工構(gòu)建的體例，在體系層面設(shè)計(jì)和重修復(fù)雜生物體系，以揭示生物體系的調(diào)控機(jī)制與設(shè)計(jì)原理。為了研究生物振蕩網(wǎng)絡(luò)的普適性調(diào)控規(guī)律，魏平課題組行使這種“以建易學(xué)”研究思路，通過設(shè)計(jì)的模塊化分子元件，體系化調(diào)制動(dòng)力學(xué)參數(shù)，從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，對(duì)生物振蕩功能的分子網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、參數(shù)性子，以及振蕩舉動(dòng)進(jìn)行了深入的定量研究。

人工合成的旌旗燈號(hào)通路振蕩波形的調(diào)控

NF-κB是高等真核細(xì)胞中調(diào)節(jié)免疫、發(fā)育、細(xì)胞凋亡等很多緊張過程的關(guān)鍵旌旗燈號(hào)控制體系。然而風(fēng)趣的是，在低等真核細(xì)胞酵母中，與NF-κB相干的所有分子組分均不存在。魏平課題組行使這一特征，將人源的NF-κB體系在酵母細(xì)胞中重構(gòu)，重新設(shè)計(jì)了負(fù)反饋調(diào)控，得到了一種能夠穩(wěn)固振蕩的人工NF-κB。他們通過定義振蕩波形的量化概念，為調(diào)控振蕩動(dòng)力學(xué)舉動(dòng)提供了定量的指標(biāo)。依靠該人工設(shè)計(jì)體系高度的正交性與可調(diào)性，研究小組建立了正確的網(wǎng)絡(luò)數(shù)學(xué)模型，模仿并展望出一種特別的巢式雙層負(fù)反饋結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)波峰間距的單一性調(diào)控而不影響振蕩的峰形（即調(diào)頻），通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步成功驗(yàn)證了這一推測(cè)。該研究工作揭示了生命體內(nèi)可能存在的基于分子網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜信息編碼與解碼機(jī)制，為定制式的人工生命調(diào)控體系的設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)，同時(shí)也為研究細(xì)胞內(nèi)復(fù)雜動(dòng)力學(xué)舉動(dòng)提供了一種全新思路。

Cell Systems當(dāng)期封面（Vol 5, Issue 5, Nov 22, 2017）展示的振蕩波形調(diào)控的雷達(dá)圖

北京大學(xué)前沿交叉學(xué)科研究院2013級(jí)CLS博士研究生張志博為該論文的第一作者，魏平研究員為通信作者。北京大學(xué)定量生物學(xué)中間研究生王秋月，北京大門生命科學(xué)學(xué)院本科生劉時(shí)煜、博士后鞠見齊，清華大門生命科學(xué)學(xué)院本科生柯雨曦參與了該研究。北京大學(xué)定量生物學(xué)中間湯超教授、加州大學(xué)舊金山分校Wendell Lim教授對(duì)該工作給予了引導(dǎo)和幫助。該工作得到國(guó)家科技部、國(guó)家天然科學(xué)基金委、中組部青年千人計(jì)劃以及北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中間的資助。

編輯：山石