噪聲對基因調(diào)控網(wǎng)絡motif信號處理的影響研究.pdf

1、基因調(diào)控網(wǎng)絡是一類重要的復雜網(wǎng)絡，它是生命體能夠完成各種復雜信號處理功能的核心部件。在后基因組時代，如何正確定量地理解基因間的相互作用，掌握基因調(diào)控網(wǎng)絡的拓撲和動力學特性已成為21世紀生命科學研究中最重要的課題之一。但是基因調(diào)控網(wǎng)絡自身的復雜性使得我們很難從一開始就把它們作為一個整體來研究。近年來，科學家發(fā)現(xiàn)復雜的基因調(diào)控網(wǎng)絡是構建在結構簡單的motif之上的?；蛘{(diào)控網(wǎng)絡中的motif往往具有一些特殊的信號處理功能。對基因調(diào)控網(wǎng)絡功能

2、的研究可以從對motif的研究出發(fā)。 在已有的對基因調(diào)控網(wǎng)絡motif信號處理功能的研究中，多采用的是微分方程模型，沒有考慮到在實際環(huán)境中，motif的信號處理功能必然受到噪聲的干擾。motif中的噪聲有兩種：外部噪聲和內(nèi)部噪聲。在本論文中，我們研究了一類廣泛存在于真實基因調(diào)控網(wǎng)絡和計算機模擬網(wǎng)絡中的motif-混合反饋環(huán)motif(MFL：mixed feedback loop motif)在噪聲作用下，外部噪聲和內(nèi)部噪聲對于

3、其信號處理功能的影響。已有的對混合反饋環(huán)motif微分方程模型的分岔分析表明，該motif的動力學行為分為三種：單穩(wěn)態(tài)，雙穩(wěn)態(tài)和周期振蕩狀態(tài)。 我們建立了混合反饋環(huán)motif的隨機模型：包括內(nèi)部噪聲模型和外部噪聲模型。我們發(fā)現(xiàn)，在噪聲的作用下，混合反饋環(huán)motif中存在一些新的信號處理功能： 當系統(tǒng)處于雙穩(wěn)區(qū)的時候，在外部噪聲的作用下，混合反饋環(huán)motif能夠實現(xiàn)狀態(tài)的受控快速轉換和蛋白質(zhì)濃度高達三個數(shù)量級的放大。這種基

4、于噪聲的生物轉換器和放大器易于控制。此外，在內(nèi)部噪聲的作用下，混合反饋環(huán)motif能夠實現(xiàn)狀態(tài)的自發(fā)轉換。這種狀態(tài)的自發(fā)轉換受到系統(tǒng)參數(shù)和規(guī)模的影響。 在內(nèi)部噪聲和外部噪聲的作用下，當系統(tǒng)處于由單穩(wěn)區(qū)向周期振蕩區(qū)分岔的超臨界Hopf分岔點附近時，在噪聲的作用下，混合反饋環(huán)motif能夠實現(xiàn)持續(xù)的隨機振蕩。在一個最優(yōu)的噪聲強度下，隨機振蕩的表現(xiàn)最好，這說明在混合反饋環(huán)motif中存在隨機共振現(xiàn)象。我們推測這是一種增強生物振子振蕩魯