原核生物代谢网络及其调控演化的工具箱模型

已有报道指出，原核生物基因组中编码的转录因子数量与其基因总数近似呈二次方标度关系。我们提出了对这一发现的概念性解释，并使用一个简单模型进行了说明。在该模型中，原核生物的代谢网络与调控网络是通过共调控代谢途径的水平基因转移而形成的。适应由新转录因子监控的新环境条件（例如，学习利用另一种营养物质）既涉及获取新酶，也涉及重新利用基因组中已编码的一些酶。随着生物体酶库（即其工具箱）的不断增大，它可以更频繁地重用其酶工具，因此在掌握每项新任务时需要获取的新酶更少。从这一观察逻辑上可以得出，功能性任务及其调节因子的数量增长速度快于编码酶的基因总数的线性增长。基因组也可能缩小，例如，由于环境中某种营养物质的丢失，随后其调节因子和所有变得冗余的酶被删除。我们提出了几个基于该工具箱论证的简单网络演化模型，并再现了经验观察到的二次方标度关系。我们模型中途径分支的长度分布与大肠杆菌现实代谢网络的长度分布一致。因此，我们的模型为原核生物中调节子大小的宽分布提供了定性解释。