基因轉錄調控中噪聲效應的研究.pdf

1、越來越多的生物實驗技術和理論研究發(fā)現(xiàn)基因表達調控是個非線性隨機過程，外界噪聲是不可忽略的?，F(xiàn)已有大量的實驗和理論研究闡明了噪聲對非線性系統(tǒng)的影響，并發(fā)現(xiàn)噪聲可誘導相變，產(chǎn)生隨機共振等現(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噪聲理論應用到基因轉錄調控模型中，通過求解相應的Langerin方程和Fokker～Planck方程來研究內(nèi)外噪聲對基因轉錄調控的影響。我們討論了基因轉錄過程中調控蛋白的動力學模型，以及該模型

2、中轉錄率、降解率和合成率等控制參數(shù)的隨機漲落對基因轉錄“開-關”機制的調控；同時探討了這些噪聲之間相互關聯(lián)程度對基因表達在多穩(wěn)態(tài)之間躍遷的影響。從非線性動力學的角度來解釋某些與基因轉錄調控有關的現(xiàn)象。 本論文主要包括四大部分： 首先，我們對基因轉錄過程中噪聲的起源、分類及作用等進行了探討。基因轉錄中存在內(nèi)外噪聲；內(nèi)噪聲通常是由于在轉錄和翻譯過程中隨機反應事件而導致的一個隨機漲落；而外噪聲是由于其他細胞成份數(shù)目的隨機漲落引

3、起的，進而間接導致另一個特殊基因表達的變異。在基因表達過程中噪聲最重要的意義就在于盡管反應的初始條件相同，并經(jīng)歷相同的時間，不同的細胞卻將沿著截然不同的路徑演化。具有相同遺傳因子的細胞和器官，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，我們總結了基因轉錄的調控機制，基因轉錄調控模式包括真核和原核兩種。在真核基因轉錄調控中，調控蛋白(又稱轉錄因子)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。在原核基因轉錄調控中，根據(jù)調控機制的不同可分為負轉錄調控和正轉錄調控，且兩種調控同等重要。 第三，我們在Smolen等人建立的轉錄激活物的動力學模型基礎上進一步研究了加性和乘性噪聲對該模型的影響。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錄激活蛋白的合成效率。而噪聲關聯(lián)對基因轉錄可起到一個“誘導”作用。乘性和加性噪聲之間的正關聯(lián)會抑制基因轉

5、錄，而它們之間的負關聯(lián)會促進基因轉錄。 最后，我們詳細討論了一個比較簡單的原核基因轉錄調控模型-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控作用，發(fā)現(xiàn)轉錄率參數(shù)的漲落可直接影響cI基因轉錄的“開-關”機制。在溶原化和裂解調控中，噪聲可使得調控蛋白CI和Cro的濃度發(fā)生振蕩，在適當?shù)脑肼晱姸认律踔量梢痣S機振蕩現(xiàn)象。另外我們探討了調控蛋白CI和Cro降解率的漲落對其概率分布的影響，發(fā)現(xiàn)當降