生物体内的对称性与动力学：自相似原理支配基因表达动力学

系统生物学的雄心终极研究目标是理解并建模细胞系统。尽管已开发大量模型以从由蛋白质、基因和化合物等基本元素组成的复杂系统中提取生物学知识，我们仍需要增进对系统动力学特征（即时间依赖性）的理解。在本文中，我们使用一种新的构造性方法分析基因表达动力学（即基因表达如何随时间波动）。该方法仅基于两个基本要素：对称性和动力学的马尔可夫性质。首先，利用人类和酵母基因表达时间序列的实验数据，我们发现了从时间$t$到时间$t+1$的短时转移概率中的对称性。我们称之为自相似对称（即令人惊讶地，基因表达短时涨落包含类似于整体但大小不同的、越来越小的重复模式部分）。其次，动力学的马尔可夫性质反映短时涨落支配系统的全程行为。在此，我们仅利用这两个要素：对称性和动力学的马尔可夫性质，便成功自然地重构了所观察基因表达分布的整体行为（即标度律）及其分布幂律尾部的局部行为。该方法或可代表向整个细胞基本元素的整合图景迈出的一步。