基因拨动开关的化学模型

我们通过平均场分析和随机模拟研究了由相互抑制的基因对构成的基因拨动开关的化学模型。为了确定基因开关的稳定性，我们将该问题与反应通量理论和过渡态理论联系起来。开关稳定性由明确定义的寿命 $\tau$ 表征。我们发现 $\tau$ 随参与切换的转录因子分子的平均数目 $\Nmean$ 呈指数增长。在可直接数值模拟的区间内，增长规律很好地由 $\tau\sim\Nmean{}^{\alpha}\exp(b\Nmean)$ 刻画，其中 $\alpha$ 和 $b$ 为参数。基因表达中噪声增大的现象（例如单个 mRNA 转录本产生多个蛋白拷贝所产生的散粒噪声，以及每个转录本所产蛋白数目的波动）会降低开关稳定性。然而，通过将 DNA 上的转录因子结合结构域排布为竞争性转录因子在 DNA 上相互排斥的形式，可极大增强对生化噪声的鲁棒性。我们还阐明了排他性开关相对于一般性开关稳定性增强的起源：尽管两种开关的动力学前置因子大致相同，但翻转排他性开关的“势垒”显著高于一般性开关。