相互作用细胞振子的群体行为及其动态特征

Cell oscillators are an important class of biological systems, and communicate to each other through signaling molecules. Studying the coupled system of these oscillators is of important significance for understanding development and growth of biological organisms as well as the formation of cellular patterns. Aiming at characteristics of cellular oscillator structure and ways of cellular communication, this project conducts studies of the population behavior of multi-cell systems and its dynamic modes. Specifically, through mathematical modeling, theoretical analysis and numerical simulation, we will study how different topological structures resulting from different regulation ways between components in the oscillator network as well as different communication ways resulting from different manners of internal and external signal integration impact cooperative behaviors and their dynamic characteristics. When studying these issues, we will consider effects of system size (i.e., the number of oscillators), molecular noise (resulting from low copy numbers of reactive species) and signal hysteresis (time delay in the process of signal transmission) but focus on elucidation of generation mechanisms of population behavior and characterization of its dynamic modes. These studies not only may promote the understanding of complex biological phenomena and fundamental intracellular processes and lay a foundation for studying more complex biological systems but also help to conclude design principles in synthetic biology and provide guidelines for designing relevant biological experiments.

细胞振子是一类重要的生物系统，它们之间通过信号分子实现通信。研究耦合振子系统对于理解生物组织的发育与生长、细胞图案的形成等具有重要意义。 本项目针对细胞振子结构的特点、细胞通讯的方式，采用数学建模、理论分析和数值模拟等手段，对多细胞系统的群体行为及其动态特征开展研究。重点研究细胞振子由于其成分之间不同的调控方式而导致的不同拓扑结构、细胞与细胞之间由于内外信号的不同整合方式而导致的不同通讯方式，对细胞群体行为及其动态特征的影响。研究时将考虑系统规模（即振子的数目）、分子噪声（由反应物种的低拷贝数引起）、信号滞后（信号传输时的时间延迟）的效果，立足于阐明群体行为的产生机制、特征化群体行为的动态模式。本项目的研究不仅可以增进人们对复杂生物现象、基本细胞内部过程的理解，为研究更为复杂的生物系统奠定基础，而且可以帮助人们总结出合成生物学的系统设计原理，为设计相关的生物实验提供指导。

细胞振子是一类重要的生物系统，它们之间通过信号分子实现通信。细胞通讯对于生物体生长、发育、分化以及各种生理活动的协调都是必不可少的。细胞通讯的结果体现为多细胞系统的群体行为。尽管人们对于细胞通讯和多细胞系统的群体行为做了许多理论上与实验上的探索，但是对这些问题的理解尚未完全弄清楚。本项目试图从生物物理学的角度，通过数学建模、理论分析和数值模拟，揭示细胞通讯的机制以及由细胞通讯导致复杂多细胞群体行为的动力学机制。为此，本项目研究了由两类单个细胞振子（压制振动子、组合振子）组成的多细胞系统的群体行为及其动态特征，主要关注单个振子的内部结构、细胞通讯、内外信号整合、细胞内部动力学、细胞之间动力学参数的失谐、系统规模、分子噪声等细化的生物过程或生物因素对群体行为的影响，以及由这些因素导致的不同宏观特征（如同步、聚类模式、多稳性、多节律性等），重点研究细胞通讯诱导群体行为的生物物理机制。我们取得了如下成果：对于组合振子多细胞系统，我们阐明了转录协作性的改变、细胞之间动力学参数的失谐以及在失谐情形下时间尺度的分离对于系统群体行为的效果；对于压制振动子多细胞系统，我们阐明了细胞内外信号整合、分子噪声对于系统群体行为的效果；揭示了群体行为的产生机制，刻画了群体行为的动态模式的特征。本项目的研究不仅可以增进人们对复杂生物现象、基本细胞内部过程的理解，为研究更为复杂的生物系统奠定基础，而且可以帮助人们总结出合成生物学的系统设计原理，为设计相关的生物实验提供指导。

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