穩(wěn)態(tài)附近細(xì)胞表型轉(zhuǎn)換級聯(lián)中的噪聲及噪聲傳播.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、隨機(jī)表型轉(zhuǎn)換是生物體適應(yīng)環(huán)境變化的一種響應(yīng),是生命系統(tǒng)的一個普遍特征;噪聲廣泛存在于生物系統(tǒng)中,對生物過程產(chǎn)生非常重要的影響。大量實(shí)驗(yàn)表明:生命活動中的生化反應(yīng)涉及的細(xì)胞個數(shù)特別小,漲落非常明顯;不可預(yù)知的環(huán)境條件的擾動會引起表型發(fā)生轉(zhuǎn)換。所以,從動力學(xué)的角度考慮噪聲對隨機(jī)表型轉(zhuǎn)換的影響,從而闡明隨機(jī)表型轉(zhuǎn)換的生物學(xué)機(jī)制,是當(dāng)前系統(tǒng)生物學(xué)研究的重要內(nèi)容之一。
  本文針對結(jié)腸隱窩中三種細(xì)胞表型(干細(xì)胞、短暫擴(kuò)增細(xì)胞和完全分化細(xì)胞)

2、的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和具有剝削競爭的菌落中兩個物種(物種A和物種B)的轉(zhuǎn)換系統(tǒng),利用隨機(jī)動力學(xué)方法和計(jì)算機(jī)模擬技術(shù),對表型轉(zhuǎn)換級聯(lián)中的隨機(jī)動力學(xué)性質(zhì)以及噪聲的傳播機(jī)制進(jìn)行了深入的研究,取得了以下研究成果:
  (1)對結(jié)腸隱窩中細(xì)胞種群的隨機(jī)動力學(xué)進(jìn)行了研究。在正常結(jié)腸隱窩中,干細(xì)胞分化成短暫擴(kuò)增細(xì)胞,短暫擴(kuò)增細(xì)胞繼續(xù)分化成完全分化細(xì)胞。當(dāng)兩個分化速率受到線性反饋的調(diào)控時,三種細(xì)胞表型會達(dá)到穩(wěn)定態(tài)。利用Langevin理論對該模型進(jìn)行討論,

3、得到了三個細(xì)胞表型在穩(wěn)態(tài)附近的Fano因子、協(xié)方差以及敏感性等公式。對所得結(jié)果進(jìn)行數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn):(i)隨著短暫擴(kuò)增細(xì)胞的凈生長速率的變化,短暫擴(kuò)增細(xì)胞和完全分化細(xì)胞的穩(wěn)態(tài)數(shù)目呈現(xiàn)出近似閾值行為,即短暫擴(kuò)增細(xì)胞和完全分化細(xì)胞的增長可以分成三個區(qū)域:控制區(qū)、過渡區(qū)和非控區(qū)。(ii)隨著短暫擴(kuò)增細(xì)胞的凈生長速率的增加,短暫擴(kuò)增細(xì)胞或完全分化細(xì)胞中的相對內(nèi)噪聲(即Fano因子)在過渡區(qū)內(nèi)出現(xiàn)一個最大值。當(dāng)干細(xì)胞的分化率和凈生長速率不變時,干細(xì)

4、胞與短暫擴(kuò)增細(xì)胞之間的協(xié)方差在過渡區(qū)也出現(xiàn)一個最大值。然而,短暫擴(kuò)增細(xì)胞或完全分化細(xì)胞對短暫擴(kuò)增細(xì)胞的凈生長速率的敏感性在過渡區(qū)卻存在一個最小值。
  (2)對穩(wěn)態(tài)附近不同表型轉(zhuǎn)換級聯(lián)中的噪聲和噪聲傳播特性進(jìn)行了研究。提出了隨機(jī)表型轉(zhuǎn)換的一般模型;對該模型的主方程進(jìn)行線性噪聲近似,并進(jìn)行規(guī)范化變換,得到表型轉(zhuǎn)換級聯(lián)中噪聲傳播的一般公式。將該公式應(yīng)用于不同的表型轉(zhuǎn)換級聯(lián)系統(tǒng)中,發(fā)現(xiàn):
  (i)在具有剝削競爭的菌落中,物種A與

5、物種B之間的相互轉(zhuǎn)換形成雙向表型轉(zhuǎn)換級聯(lián)。在該級聯(lián)中,系統(tǒng)的隨機(jī)環(huán)境由級聯(lián)中全部組成部分共同提供。因此,每個表型的總噪聲由內(nèi)噪聲、從其他表型傳播而來的傳遞噪聲以及由于表型間的相互轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)換噪聲三部分組成;表型間的相互轉(zhuǎn)換使內(nèi)噪聲增加了一個額外內(nèi)噪聲,即內(nèi)噪聲包括純內(nèi)噪聲和額外內(nèi)噪聲,從而使內(nèi)噪聲加強(qiáng);由于轉(zhuǎn)換噪聲相對較小而可以忽略不計(jì),所以每個表型的總噪聲主要由內(nèi)噪聲和傳遞噪聲決定。
  (ii)在結(jié)腸隱窩,干細(xì)胞和短暫擴(kuò)增

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