شبكة جينية تنظيمية
نظرة عامة

على مستوى واحد، يمكن اعتبار الخلايا الحيوية «أكياس مختلطة جزئيًا» من المواد الكيميائية الحيوية – في مناقشة شبكات الجين التنظيمية، تتكون هذه المواد الكيميائية بمعظمها من الرنا المرسال (إم آر إن إيه إس) والبروتينات الناشئة عن التعبير الجيني. تتفاعل هذه البروتينات والرنا المرسال مع بعضها البعض بدرجات مختلفة من التخصص. ينتشر بعضها حول الخلية. يرتبط بعضها الآخر بالأغشية الخلوية، ويتفاعل مع الجزيئات في البيئة. يمر بعض منها أيضًا عبر الأغشية الخلوية ويتوسط إرسال الإشارات طويلة المدى إلى الخلايا الأخرى لدى الكائن الحي عديد الخلايا. تشكل هذه الجزيئات وتفاعلاتها الشبكة الجينية التنظيمية. تبدو الشبكة الجينية التنظيمية النموذجية كما يلي:
قد تمثل عقد هذه الشبكات الجينات، أو البروتينات، أو الرنا المرسال، أو معقدات بروتين/بروتين أو العمليات الخلوية. ترتبط العقد الواقعة على طول الخطوط العمودية بالتواصل البيئي/الخلوي، بينما تتميز العقد الأخرى بحرية الحركة والقدرة على الانتشار. تمثل الحواف بين العقد التفاعلات بينها، التي قد تتوافق مع التفاعلات الجزيئية الفردية بين الدنا، أو الرنا المرسال، أو الرنا الميكروي، أو البروتينات أو العمليات الجزيئية المسؤولة عن تأثير نواتج جين ما في نواتج الجينات الأخرى، على الرغم من إشارة النقص في المعلومات المحصلة تجريبيًا في الغالب إلى عدم نمذجة بعض التفاعلات في هكذا مستوى دقيق من التفاصيل. قد تكون هذه التفاعلات تحريضية (عادةً ما تتمثل في رؤوس السهام + علامة)، إذ يؤدي زيادة تركيز أحدها إلى زيادة الأخرى، أو مثبطة (تتمثل في دوائر مملوءة، أو السهام الحادة أو علامة السالب)، إذ يؤدي زيادة أحدها إلى نقص الأخرى، أو مزدوجة التأثير، عند الاعتماد على حالات المنظم يمكن تنشيط العقدة الهدف أو تثبيطها. تستطيع العقد تنظيم نفسها بشكل مباشر أو غير مباشر، وصنع حلقات الارتجاع، المكونة من السلاسل الدورية للتوابع في الشبكة الدورية. تُعد بنية الشبكة تعبيرًا مجردًا عن الديناميكيات الكيميائية والجزيئية للنظام، إذ تصف الطرق المتشعبة التي تؤثر عبرها مادة ما في جميع المواد الأخرى المرتبطة بها. بشكل عملي، تنشأ الشبكات الجينية التنظيمية هذه عن الأقسام الحيوية في نظام محدد وتمثل عملية تصفية للمعرفة الإجمالية عن مجموعة من التفاعلات الحيوية الكيميائية. من أجل زيادة سرعة المعالجة اليدوية لشبكات الجين التنظيمية، تحول بعض الجهود الحديثة استخدام التنقيب في النصوص، وقواعد البيانات المعالجة، واستدلال الشبكة من البيانات الهائلة، والتحقق من النموذج وغيرها من تقنيات استخراج المعلومات من أجل هذا الهدف.
يمكن اعتبار الجينات كعقد في الشبكة، مع تمثيل البروتينات للمدخلات مثل عوامل النسخ وتمثيل مستوى التعبير الجيني للمخرجات. تعتمد قيمة العقدة على الوظيفة المعتمدة على قيمة منظماتها في الخطوات الزمنية السابقة (في الشبكات البولانية الموضحة أدناه، الدالات البولانية، نموذجيًا «إيه إن دي» و«أو آر» و«إن أو تي»). فُسرت هذه الوظائف باعتبارها نوع من معالجة المعلومات داخل الخلية، الذي يحدد السلوك الخلوي. تتألف المحركات الرئيسية داخل الخلايا من تراكيز بعض البروتينات المسؤولة عن تحديد التنسيقات المكانية (الموقع داخل الخلية أو النسيج) والزمنية (دورة الخلية أو المرحلة التطورية) للخلية، كنوع من «الذاكرة الخلوية». ما يزال فهم الشبكات الجينية في مراحله الأولى، وتتمثل الخطوة التالية لعلم الأحياء في محاولة استنتاج وظائف كل «عقدة» جينية، بهدف فهم سلوك النظام في زيادة مستويات التعقيد، من الجين إلى مسار الإشارات، أو مستوى الخلية أو الأنسجة.
طُورت النماذج الرياضية الخاصة بالشبكات الجينية التنظيمية من أجل التقاط سلوك النظام أثناء نمذجته، إلى جانب توليد التنبؤات المتوافقة مع الملاحظات التجريبية في بعض الأحيان. في بعض الحالات الأخرى، ثبت تقديم النماذج لتنبؤات جديدة دقيقة قابلة للفحص تجريبيًا، ما يقترح بالتالي نُهجًا جديدة للاستكشاف في تجربة متعذر أخذها في الاعتبار أحيانًا عند تصميم بروتوكول المختبر التجريبي. تشمل تقنيات النمذجة كلًا من المعادلات التفاضلية (أو دي إي إس)، والشبكات البولينية، وشبكات بتري، والشبكات البايزية، ونماذج شبكات غوسيان البيانية، والتصادفية وإحصاء العمليات. بشكل معاكس، اقتُرحت تقنيات توليد نماذج للشبكات الجينية التنظيمية بهدف تفسير أفضل لمجموعة من الملاحظات المتسلسلة الزمنية. ثبت مؤخرًا ارتباط إشارة رقاقة التسلسل الخاصة بتعديل الهستون بشكل أكبر مع حافز عامل النسخ في المحفزات بالمقارنة مع مستوى الرنا. تبعًا لذلك، اقتُرح احتمال توفير رقاقة التسلسل الخاصة بتعديل الهستون المتسلسلة الزمنية الاستدلال الأكثر موثوقية للشبكات التنظيمية الجينية بالمقارنة مع الوسائل المعتمدة على مستويات التعبير.