[论文解读] On Programs and Genomes

Eric Werner|arXiv (Cornell University)|Oct 24, 2011

Computability, Logic, AI Algorithms参考文献 8被引用 7

一句话总结

本文提出了一套计算框架，用于将基因组理解为发育控制系统，引入了“cene”（控制基因）的概念——即调控细胞生长、分裂和分化等过程的控制基因。基因组中相互关联的cene构成的全局网络称为“cenome”，它控制个体发育过程，并将基因组复杂性与生物体复杂性联系起来，为基因组调控提供了一个系统层面的模型，对进化与发育研究具有重要意义。

ABSTRACT

We outline the global control architecture of genomes. A theory of genomic control information is presented. The concept of a developmental control network called a cene (for control gene) is introduced. We distinguish parts-genes from control genes or cenes. Cenes are interpreted and executed by the cell and, thereby, direct cell actions including communication, growth, division, differentiation and multi-cellular development. The cenome is the global developmental control network in the genome. The cenome is also a cene that consists of interlinked sub-cenes that guide the ontogeny of the organism. The complexity of organisms is linked to the complexity of the cenome. The relevance to ontogeny and evolution is mentioned. We introduce the concept of a universal cell and a universal genome.

研究动机与目标

• 开发一个理论框架，以理解基因组的全局控制架构。
• 在基因组功能中区分组成部分基因（parts-genes）与控制基因（cenes）。
• 建立模型，说明相互关联的cenes如何形成调控个体发育的cenome。
• 通过cenome将基因组复杂性与生物体复杂性联系起来。
• 提出通用基因组与通用细胞作为系统生物学的基础概念。

提出的方法

• 引入‘cene’概念，即通过细胞解读而调控细胞行为的控制基因。
• 将基因组建模为一个名为‘cenome’的全局发育控制网络，由相互关联的子cenes组成。
• 应用计算控制理论原理于基因组调控，将cenes视为可执行程序。
• 提出cenome本身也是一个cene，从而在发育过程中实现自指性调控。
• 利用系统生物学与网络理论，描述cenes如何协调多细胞发育。
• 将该框架扩展至包含通用基因组与通用细胞，以增强理论普适性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何将基因组理解为发育控制系统，而非仅是遗传信息的存储库？
• RQ2 控制基因（cenes）在调控细胞行为与多细胞发育中的作用是什么？
• RQ3 cenes之间的相互连接如何形成一个调控全局（即cenome）网络，从而控制个体发育？
• RQ4 cenome的复杂性与生物体复杂性之间存在何种关系？
• RQ5 在系统生物学中，通用基因组与通用细胞的理论基础是什么？

主要发现

• cenome是基因组中由相互关联的cenes构成的全局发育控制网络，引导生物体的个体发育过程。
• cenes由细胞解读并执行，以指导细胞的生长、分裂、分化和通讯等行为。
• 生物体的复杂性与cenome的复杂性直接相关，为发育调控提供了系统层面的解释。
• cenome本身也是一个cene，表明基因组控制架构中存在自指性机制。
• 该框架引入了通用基因组与通用细胞，提出了一套系统生物学的基础模型。
• 该理论通过网络化控制机制，为个体发育、进化与基因组调控之间提供了概念上的桥梁。