網路基元

網路基元(Network motif)是指在生物系統網路(如基因調控網路，代謝網路)中，出現頻率顯著高於隨機生成網路的模式。具體而言，自調節(Autoregulation)、前饋調節(Feedforward loop)等都是網路基元的典型例子。

基本介紹

• 中文名：網路基元
• 外文名：Network Motif
• 適用領域：系統生物學
• 所屬學科：系統生物學

定義

網路基元(Network motif)是指在生物系統網路(如基因調控網路，代謝網路)中，在統計學上出現頻率顯著更高的網路模式。一般我們將模式在生物系統網路中出現的頻率與在隨機生成的具有相同節點數和邊數的網路中出現的頻率對比，如果該模式在生物系統網路中出現的頻率顯著較高，則認為該模式的高頻率具有統計學上的顯著性，並稱該模式為網路基元。

意義

在漫長的演化過程中，發生了不計其數的突變。其中許多突變會改變生物系統網路中節點之間的連線方式。因此，如果沒有自然選擇的壓力，生物系統網路在經歷了無數方向隨機的突變之後必然趨向於隨機生成的網路，也就不存在網路基元。可事實是，人們已經在生物系統網路中找到了許多網路基元，其出現頻率遠遠高於具有相同節點數和邊數的網路中出現的頻率。這說明這些網路基元具有重要的生物學意義，能夠給生命體帶來生存優勢，從而在億萬年的自然選擇過程中得到保留。

舉例

以下以基因調控網路中常見的一種網路基元——負反饋式自調節為例，具體說明網路基元的生物學意義。

自調節可分為負反饋式自調節(Negative autoregulation)和正反饋式自調節(Positive autoregulation)。現以負反饋式自調節為例。在負反饋式自調節中，基因的產物X與基因自身的啟動子結合抑制基因的轉錄。

考慮到影響基因產物X的濃度的因素有X的生成速率和X的降解/稀釋速率，可以得到X濃度滿足的微分方程：

其中為X的生成速率，為X的降解/稀釋速率。對於很大一部分啟動子而言，X對啟動子的負反饋調控可用希爾方程表示：

從而可以比較在X平衡濃度相等的情況下，可以比較具有負反饋式自調節機制的基因轉錄翻譯生成對應產物的回響時間（即產物濃度達到平衡濃度的時間）與不具有這種調節機制的基因轉錄翻譯生成產物的回響時間。一種簡易的分析方法是假設負反饋式自調節效應很強，此時令，則的表達式可被簡化為：

其中為Heaviside階躍函式。在的近似下，經過簡單的計算可以給出負反饋式自調節系統的平衡濃度和回響時間：

而對於無負反饋的簡單調節(Simple regulation)的情況，有：

於是：

注意到在負反饋式自調節系統中，與無關。因此負反饋式自調節系統可以在保持產物平衡濃度不變的情況下增大的值，使得回響時間變得非常小。

除了可以降低系統的回響時間之外，負反饋式自調節還可以增強生物系統的魯棒性。細胞的代謝時刻受到調控，蛋白質的合成和降解速率在很大程度上會受到細胞代謝能力和噪音的影響。對於簡單調節系統而言，這意味著蛋白質平衡濃度的改變。然而，對於強負反饋式自調節系統來說，蛋白質的平衡濃度僅僅取決於，而取決於產物X與基因啟動子的結合能力（即化學鍵強度），這是很難改變的。

通過這個例子我們可以看到，生物系統網路中出現的一些網路基元發揮著重要的生物學作用，體現著生命系統的設計原理，從而能被自然選擇所青睞，保留在不同物種體內各式各樣的生物系統網路中。