基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的空間模型及其算法研究.pdf

1、對(duì)基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的建模和算法研究在理論和實(shí)踐上都具有非常重要的意義?；蛘{(diào)控網(wǎng)絡(luò)是由一組基因、蛋白質(zhì)、小分子以及它們之間的相互調(diào)控作用所構(gòu)成的一種生化網(wǎng)絡(luò)，是生命功能在基因表達(dá)層面上的展現(xiàn)。研究基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的目的是通過建立基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)某一個(gè)物種或組織中的全部基因的表達(dá)關(guān)系進(jìn)行整體的模似分析和研究，在系統(tǒng)的框架下認(rèn)識(shí)生命現(xiàn)象。隨著系統(tǒng)生物學(xué)的發(fā)展，人們已經(jīng)逐漸地認(rèn)識(shí)到生命復(fù)雜系統(tǒng)構(gòu)成的基本規(guī)律。而根據(jù)這些基本原理，科學(xué)家又可以人為地設(shè)

2、計(jì)并構(gòu)建非天然的控制生命活動(dòng)的分子網(wǎng)絡(luò)。 由于細(xì)胞內(nèi)化學(xué)反應(yīng)本身的隨機(jī)性以及每個(gè)細(xì)胞中許多基因、核糖核酸和蛋白質(zhì)的低數(shù)目等原因，基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中存在大量的隨機(jī)波動(dòng)，這種隨機(jī)性影響所有的生命過程。近年來，大量關(guān)于基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)性的模型和分析方法隨之出現(xiàn)，且許多實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證實(shí)了隨機(jī)性的存在和影響。本文首先討論了齊性空間下的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)力學(xué)模型，特別是齊性介觀模型，然后我們從齊性介觀模型出發(fā)引入了齊性空間下基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中的隨機(jī)性以

3、及刻畫隨機(jī)性的一個(gè)常用模型——主方程，并且詳細(xì)介紹了分析主方程的一種逼近方法——線性噪聲逼近，同時(shí)還給出了一個(gè)實(shí)際應(yīng)用的例子。 目前在對(duì)齊性介觀空間(homogenous mesoscopic space)中的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)模型的離散隨機(jī)模擬中，已經(jīng)發(fā)展出許多算法，其中Gillespie算法是應(yīng)用最為廣泛的一種蒙特卡羅仿真算法。在這些算法中，既有速度較慢的精確隨機(jī)模擬算法(SSA)如Gillespie的直接方法(Direct Me

4、thod)和第一反應(yīng)方法(First Reaction Method)以及Gibson的第二反應(yīng)方法(Next Reaction Method)，也有快得多的加速算法如各種τ—leaping方法，這些算法有著各自的特點(diǎn)。然而在細(xì)胞中，由于重力、電荷力、細(xì)胞結(jié)構(gòu)等各種物理因素的存在，空間并不是齊性的。對(duì)于這種非齊性介觀空間(nonhomogenous mesoscopic space)中的生化反應(yīng)可以通過建立反應(yīng)——擴(kuò)散主方程并利用隨機(jī)模

5、擬進(jìn)行研究。由Johan Elf等人先后發(fā)展出了空間下一反應(yīng)方法(The Spatial：Next Reaction Algorithm)和下一子空間方法(The Next Subvolume Method)，它們都屬于精確隨機(jī)模擬算法，即精確地追蹤每一個(gè)反應(yīng)或擴(kuò)散事件所發(fā)生的時(shí)間和空間位置，籍此來研究物質(zhì)的分布狀況和擴(kuò)散過程對(duì)整個(gè)生化系統(tǒng)行為的影響。然而空間下一反應(yīng)方法和下一子空間方法這兩個(gè)算法實(shí)際運(yùn)行起來非常慢，尤其是當(dāng)系統(tǒng)中某些物

6、質(zhì)的數(shù)量非常大的時(shí)候尤為如此。再有兩個(gè)算法依然假設(shè)所有物質(zhì)在空間的存在屬性是一樣的，這并不能真實(shí)地反映出細(xì)胞內(nèi)的空間結(jié)構(gòu)對(duì)不同物質(zhì)的分布與擴(kuò)散的影響。為此本文在這兩個(gè)算法基礎(chǔ)上提出一種改進(jìn)的下一子空間方法(The Improved Next Subvolume Method)，不但可以刻畫細(xì)胞的空間結(jié)構(gòu)對(duì)不同物質(zhì)的分布與擴(kuò)散以及反應(yīng)的影響，而且在滿足一定條件時(shí)可以降低模擬過程中的計(jì)算量。本文最后給出了若干模擬生化反應(yīng)系統(tǒng)的數(shù)值模擬例子，