具有鲁棒多重稳定性的耦合前馈-反馈调节电路的设计原则

《npj Systems Biology and Applications》：Design principles for robust multistability in coupled feedforward-feedback regulatory circuits

　　

摘要

前馈环（FFLs）和反馈环（FBLs）是普遍存在于网络中的结构，它们负责信号过滤、脉冲生成和状态转换；然而，如何将FBLs与FFLs耦合以实现稳健的多稳态性——这是细胞决策的关键机制——目前仍不明确。在这里，我们系统地研究了耦合的FFL-FBL架构，重点关注两种常见的FFL类型，每种类型分别采用与门（AND）或或门（OR）逻辑，从而形成了四种不同的框架。对于每种框架，我们列举了所有3^6=729种可能的电路，这些电路对应于六个反馈边中的每一个可能的三种状态（激活、抑制或无状态），将每个电路表示为常微分方程系统，并将稳健性定义为在100,000个随机抽取的参数集中表现出多稳态性的比例。我们的研究结果揭示了两个关键原则：首先，正向自激活是多稳态性的主要驱动力，但关键节点的身份取决于FFL的类型和逻辑；其次，连贯的前馈环比不连贯的前馈环更易于支持多稳态性，而与门和或门逻辑的选择影响相对较小。值得注意的是，我们在每个框架中都找出了表现优异的代表性电路，并发现有一小部分电路设计在所有四种框架中都能保持稳定的多稳态性。这些发现深化了对这类结构设计的理论理解，并为设计合成多稳态电路提供了实用的指导。