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细胞会根据环境变化调节其内部回路。因此，使细胞暴露于变化的条件下，可以用于探测细胞内部回路的内在动力学。代谢网络就是这类回路的例子，因为环境条件发生短暂改变时，代谢通量会动态调整。现有的大多数理论框架侧重于细胞代谢稳态，并未考虑代谢通量变化的动力学过程。本研究将控制理论中的传递函数分析应用于小鼠卵母细胞，分析氧耗竭及恢复这一动态扰动下线粒体和细胞质中 NADH 氧化通量的变化。我们观察到，氧恢复时细胞质中的 NADH 氧化通量出现超调，而线粒体中的 NADH 氧化通量并无此现象。代谢扰动实验和传递函数分析表明，这种细胞质 NADH 超调源于线粒体与细胞质 NADH 循环之间的耦联。超调程度由相互竞争的时间尺度决定，这些时间尺度与乳酸和丙酮酸同培养液的交换速率，以及乳酸脱氢酶催化二者相互转化的速率有关。将控制理论应用于这些数据，可以推断丙酮酸和乳酸的交换与转化速率，并据此预测乳酸对线粒体呼吸的贡献。本研究表明，卵母细胞通过调节乳酸对线粒体呼吸的贡献，在不同营养条件下维持呼吸速率稳态。
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控制理论分析动态代谢响应，阐明线粒体与细胞质的耦联及营养物质分配
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Xingbo Yang，
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Daniel J Needleman
doi：
https://doi.org/10.64898/2026.06.28.735091
Xingbo Yang
¹ 德累斯顿工业大学生命物理学
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xingbo.yang{at}tu-dresden.de
Daniel J Needleman
² 哈佛大学分子与细胞生物学系及约翰·A·保尔森工程与应用科学学院
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摘要
细胞会根据环境变化调整其内部回路。因此，让细胞暴露于变化的条件下，可以用来探测细胞内部回路的内在动态。代谢网络就是这类回路的一个例子，因为环境条件发生瞬时改变时，代谢通量也会随之动态调整。现有的大多数理论框架都聚焦于细胞代谢稳态，并未考虑代谢通量变化的动态过程。在本研究中，我们采用控制理论中的传递函数分析，研究小鼠卵母细胞在氧气耗竭与恢复这一动态扰动下，线粒体和细胞质中 NADH 氧化通量的变化。我们观察到一个…
复氧后，细胞质中的 NADH 氧化通量出现过冲，而线粒体中的 NADH 氧化通量则未出现这一现象。代谢扰动实验和传递函数分析表明，这种细胞质 NADH 过冲源于线粒体与细胞质 NADH 循环之间的耦联。过冲程度取决于相互竞争的时间尺度：乳酸和丙酮酸与培养液的交换速率，以及乳酸脱氢酶催化二者相互转化的速率。将控制理论应用于这些数据，可推断丙酮酸和乳酸的交换与转化速率，并据此预测乳酸对线粒体呼吸的贡献。本研究表明，卵母细胞通过调节乳酸对线粒体呼吸的贡献，在不同营养条件下维持呼吸速率的稳态。
利益冲突声明
作者声明不存在利益冲突。
基金信息
德国研究联合会（Deutsche Forschungsgemeinschaft），https://ror.org/018mejw64，EXC-2068-390729961
美国国立卫生研究院（National Institutes of Health），https://ror.org/01cwqze88，R01HD092550-01
美国国家科学基金会（U.S. National Science Foundation），https://ror.org/021nxhr62，PFI-TT-1827309、PHY-2013874、MCB-2052305
版权
本预印本的版权归作者／资助方所有；其已授予 bioRxiv 永久展示该预印本的许可。
本预印本依据 CC-BY-NC-ND 4.0 国际许可协议提供。
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发布于 2026 年 7 月 1 日。
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控制理论分析动态代谢响应，阐明线粒体—细胞质耦联与营养物质分配
Xingbo Yang，Daniel J. Needleman
bioRxiv
2026.06.28.735091；
doi：https://doi.org/10.64898/2026.06.28.735091
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控制理论分析动态代谢响应，阐明线粒体—细胞质耦联与营养物质分配
Xingbo Yang，Daniel J. Needleman
bioRxiv
2026.06.28.735091；
doi：https://doi.org/10.64898/2026.06.28.735091
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关键词：代谢通量动力学 · 控制理论 · 线粒体—细胞质耦联 · NADH氧化 · 卵母细胞呼吸
原文链接：https://www.biorxiv.org/content/10.64898/2026.06.28.735091v1?rss=1