细胞信号传导系统依赖复杂的反应网络和本质上具有噪声的生化反应，却能够以极高的精确度传递信息。为更好地理解其实现这种精确性的机制，本研究聚焦于细胞如何调节其定量稳态剂量-反应关系，以提高信号传导的保真度。通过结合解析方法与数值方法，我们在多种具有生物学现实意义的噪声分布下——包括高斯分布、伽马分布、恒定变异系数分布和二项分布——量化了单步和多步信号传导系统所能传递的最大信息量。我们发现，当信号传导系统的剂量-反应曲线具有较低的基线、较大的动态范围，以及与输入信号的自然分布良好匹配的曲线形状时，其传递的信息量更大。对于多步系统而言，在线性传递函数下，无论噪声水平如何，信号传导保真度通常都能得到提高，这与此前关于“剂量-反应匹配”的研究结果一致。我们还发现，开关样传递函数最多只能传递一比特信息，并且能够抵御低水平噪声；然而，在高水平噪声下，其性能会迅速下降。对玩具信号传导系统的模拟进一步验证了这些结果。总体而言，这些发现揭示了部分通过进化形成、且广泛存在于自然界中的细胞设计原则。
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细胞信号系统依赖复杂的反应网络和本质上存在噪声的生化反应，却能够以很高的精度传递信息。为更好地理解它们如何实现这种精度，本研究聚焦于细胞如何调节定量稳态剂量－反应关系，从而提高信号传递的保真度。我们结合解析方法与数值方法，量化了在若干符合生物学实际的噪声分布（高斯分布、伽马分布、变异系数恒定分布和二项分布）下，单步和多步信号系统所能传递的最大信息量。我们发现，若信号系统的剂量－反应曲线具有较低的基线、较大的动态范围，且曲线形状与输入信号的自然分布相匹配，则其信息传递量更大。对于多步系统，线性传递函数通常能够在各种噪声水平下提高信号传递保真度，这与先前关于“剂量－反应匹配”的研究一致。我们还发现，开关型传递函数传递的信息最多为 1 比特，并且能够抵御低水平噪声，但在高水平噪声下性能会迅速下降。对简化信号系统的模拟结果证实了上述发现。总之，这些研究结果揭示了部分经由进化形成、且广泛存在于自然界中的细胞设计原则。
利益冲突声明
作者声明不存在利益冲突。
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该文依据 CC-BY 4.0 国际许可协议开放获取。
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2026年10月28日。
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剂量-反应关系对细胞信息传递的影响
Steven S.
Andrews
H. Steven
Wiley
Roger
Brent
Herbert M
Sauro
bioRxiv
2026.10.26.761777；
doi：
https://doi.org/10.64898/2026.10.26.761777
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剂量-反应关系对细胞信息传递的影响
Steven S.
Andrews
H. Steven
Wiley
Roger
Brent
Herbert M
Sauro
bioRxiv
2026.10.26.761777；
doi：
https://doi.org/10.64898/2026.10.26.761777
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关键词：细胞信号传导 · 剂量-反应关系 · 信息传递保真度 · 生化噪声 · 信号传导系统 · 定量稳态
原文链接：https://www.biorxiv.org/content/10.64898/2026.10.26.761777v1?rss=1