基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控中噪聲效應(yīng)的研究.pdf

1、越來越多的生物實(shí)驗(yàn)技術(shù)和理論研究發(fā)現(xiàn)基因表達(dá)調(diào)控是個(gè)非線性隨機(jī)過程，外界噪聲是不可忽略的?，F(xiàn)已有大量的實(shí)驗(yàn)和理論研究闡明了噪聲對(duì)非線性系統(tǒng)的影響，并發(fā)現(xiàn)噪聲可誘導(dǎo)相變，產(chǎn)生隨機(jī)共振等現(xiàn)象，所以展開這方面的研究有著十分重要的意義。在本論文中我們把隨機(jī)噪聲理論應(yīng)用到基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控模型中，通過求解相應(yīng)的Langerin方程和Fokker～Planck方程來研究?jī)?nèi)外噪聲對(duì)基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控的影響。我們討論了基因轉(zhuǎn)錄過程中調(diào)控蛋白的動(dòng)力學(xué)模型，以及該模型

2、中轉(zhuǎn)錄率、降解率和合成率等控制參數(shù)的隨機(jī)漲落對(duì)基因轉(zhuǎn)錄“開-關(guān)”機(jī)制的調(diào)控；同時(shí)探討了這些噪聲之間相互關(guān)聯(lián)程度對(duì)基因表達(dá)在多穩(wěn)態(tài)之間躍遷的影響。從非線性動(dòng)力學(xué)的角度來解釋某些與基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控有關(guān)的現(xiàn)象。 本論文主要包括四大部分： 首先，我們對(duì)基因轉(zhuǎn)錄過程中噪聲的起源、分類及作用等進(jìn)行了探討?；蜣D(zhuǎn)錄中存在內(nèi)外噪聲；內(nèi)噪聲通常是由于在轉(zhuǎn)錄和翻譯過程中隨機(jī)反應(yīng)事件而導(dǎo)致的一個(gè)隨機(jī)漲落；而外噪聲是由于其他細(xì)胞成份數(shù)目的隨機(jī)漲落引

3、起的，進(jìn)而間接導(dǎo)致另一個(gè)特殊基因表達(dá)的變異。在基因表達(dá)過程中噪聲最重要的意義就在于盡管反應(yīng)的初始條件相同，并經(jīng)歷相同的時(shí)間，不同的細(xì)胞卻將沿著截然不同的路徑演化。具有相同遺傳因子的細(xì)胞和器官，盡管他們暴露在相同的環(huán)境下，但由于噪聲的作用其表型卻呈現(xiàn)出顯著的差異。 其次，我們總結(jié)了基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控機(jī)制，基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控模式包括真核和原核兩種。在真核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控中，調(diào)控蛋白(又稱轉(zhuǎn)錄因子)起阻遏和激活作用或兼有兩種作用，但總體上來說是以激

4、活蛋白的作用為主。在原核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控中，根據(jù)調(diào)控機(jī)制的不同可分為負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控和正轉(zhuǎn)錄調(diào)控，且兩種調(diào)控同等重要。 第三，我們?cè)赟molen等人建立的轉(zhuǎn)錄激活物的動(dòng)力學(xué)模型基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究了加性和乘性噪聲對(duì)該模型的影響。我們從理論和數(shù)字上分析發(fā)現(xiàn)乘性噪聲可明顯的影響系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)概率分布。使得系統(tǒng)從雙穩(wěn)態(tài)躍遷到單穩(wěn)態(tài)。而加性噪聲降低了轉(zhuǎn)錄激活蛋白的合成效率。而噪聲關(guān)聯(lián)對(duì)基因轉(zhuǎn)錄可起到一個(gè)“誘導(dǎo)”作用。乘性和加性噪聲之間的正關(guān)聯(lián)會(huì)抑制基因轉(zhuǎn)

5、錄，而它們之間的負(fù)關(guān)聯(lián)會(huì)促進(jìn)基因轉(zhuǎn)錄。 最后，我們?cè)敿?xì)討論了一個(gè)比較簡(jiǎn)單的原核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控模型-λ噬菌體感染大腸桿菌后演化的兩種途徑受內(nèi)外噪聲的影響。通過研究溶原體中阻抑物濃度的調(diào)控作用，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄率參數(shù)的漲落可直接影響cI基因轉(zhuǎn)錄的“開-關(guān)”機(jī)制。在溶原化和裂解調(diào)控中，噪聲可使得調(diào)控蛋白CI和Cro的濃度發(fā)生振蕩，在適當(dāng)?shù)脑肼晱?qiáng)度下甚至可引起隨機(jī)振蕩現(xiàn)象。另外我們探討了調(diào)控蛋白CI和Cro降解率的漲落對(duì)其概率分布的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)降