信号循环的运行机制：稳态、动力学与噪声过滤

共价修饰循环（例如 MAPK 级联中的磷酸化和去磷酸化）是信号通路中普遍存在的基本模块。本文探讨了这种简单生化电路所能实现的信息处理和过滤类型。信号循环以其在特定稳态机制下表现出的高度 S 形（超灵敏）输入 - 输出特性而闻名。在此，我们系统地研究了循环的稳态行为及其对时变刺激的响应。我们证明了循环实际上可以在四种不同的机制下运行，每种机制都有其特定的输入 - 输出特性。这些结果是使用总准稳态近似获得的，该近似比酶促反应中通常使用的 Michaelis-Menten 近似具有更广泛的适用性。我们引用了实验数据，表明信号循环可能在一种新机制下运行。随后，我们考虑了迄今为止相对被忽视的循环动力学行为。我们证明，循环的内在架构使其在所有四种机制下都表现为可调节的低通滤波器，能够滤除信号和环境线索中的高频波动或噪声。此外，截止频率可由细胞进行调节。数值模拟表明，即使对于大幅度的噪声，我们的分析结果也依然成立。我们认为，噪声过滤能力和可调节性使得信号循环成为更复杂细胞信号通路中多功能的组件。