穩(wěn)態(tài)附近細(xì)胞表型轉(zhuǎn)換級(jí)聯(lián)中的噪聲及噪聲傳播.pdf

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(gè)普遍特征;噪聲廣泛存在于生物系統(tǒng)中，對(duì)生物過(guò)程產(chǎn)生非常重要的影響。大量實(shí)驗(yàn)表明:生命活動(dòng)中的生化反應(yīng)涉及的細(xì)胞個(gè)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(dòng)會(huì)引起表型發(fā)生轉(zhuǎn)換。所以，從動(dòng)力學(xué)的角度考慮噪聲對(duì)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(duì)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(jìng)爭(zhēng)的菌落中兩個(gè)物種（物種A和物種B）的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，利用隨機(jī)動(dòng)力學(xué)方法和計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，對(duì)表型轉(zhuǎn)換級(jí)聯(lián)中的隨機(jī)動(dòng)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(duì)結(jié)腸隱窩中細(xì)胞種群的隨機(jī)動(dòng)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(gè)分化速率受到線性反饋的調(diào)控時(shí)，三種細(xì)胞表型會(huì)達(dá)到穩(wěn)定態(tài)。利用Langevin理論對(duì)該模型進(jìn)行討論，

3、得到了三個(gè)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(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)可以分成三個(gè)區(qū)域:控制區(qū)、過(guò)渡區(qū)和非控區(qū)。(ii)隨著短暫擴(kuò)增細(xì)胞的凈生長(zhǎng)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(duì)內(nèi)噪聲（即Fano因子）在過(guò)渡區(qū)內(nèi)出現(xiàn)一個(gè)最大值。當(dāng)干細(xì)胞的分化率和凈生長(zhǎng)速率不變時(shí)，干細(xì)

4、胞與短暫擴(kuò)增細(xì)胞之間的協(xié)方差在過(guò)渡區(qū)也出現(xiàn)一個(gè)最大值。然而，短暫擴(kuò)增細(xì)胞或完全分化細(xì)胞對(duì)短暫擴(kuò)增細(xì)胞的凈生長(zhǎng)速率的敏感性在過(guò)渡區(qū)卻存在一個(gè)最小值。
　　(2)對(duì)穩(wěn)態(tài)附近不同表型轉(zhuǎn)換級(jí)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(duì)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(jí)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(jí)聯(lián)系統(tǒng)中，發(fā)現(xiàn):
　　(i)在具有剝削競(jìng)爭(zhēng)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(jí)聯(lián)。在該級(jí)聯(lián)中，系統(tǒng)的隨機(jī)環(huán)境由級(jí)聯(lián)中全部組成部分共同提供。因此，每個(gè)表型的總噪聲由內(nèi)噪聲、從其他表型傳播而來(lái)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(gè)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(duì)較小而可以忽略不計(jì)，所以每個(gè)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