连贯的前馈循环对Gierer-Meinhardt模型中图灵图案形成的影响

《npj Systems Biology and Applications》：The effects of a coherent feed-forward loop on Turing pattern formation in the Gierer-Meinhardt model

　　

摘要

图灵的反应-扩散框架为相互作用系统中的扩散驱动模式形成提供了数学基础。图灵原理的早期生物学应用是Gierer和Meinhardt（GM）模型，该模型用于描述涉及两种物质（激活剂和抑制剂）的水螅头部再生过程。然而，生物网络远比这要复杂得多，因为它们包含众多相互连接的组成部分。在这项工作中，我们通过在GM模型中引入一个连贯的前馈循环（FFL），假设抑制剂的激活是通过这一机制实现的，从而更好地捕捉生物系统的复杂性。我们的研究结果表明，FFL以两种不同的方式重塑了图灵区域：不仅减小了图灵不稳定区域，即使在GM模型稳定的情况下也诱导出了空间模式。这说明，网络拓扑结构本身，而不仅仅是参数，能够影响扩散驱动不稳定性的发生和结构。我们的发现表明，考虑网络拓扑结构对于理解真实系统的行为至关重要。