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非线性基因调控网络的随机动力学研究

作　者: 易鸣
导　师: 贾亚
学　校: 华中师范大学
专　业: 理论物理
关键词: 基因调控网络 内噪声 昼夜生理节律 化学朗之万方程 相干共振 量子化细胞周期 拷贝数控制 线性噪声近似
分类号: Q75
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
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内容摘要


基因调控网络的研究从基因之间相互作用的角度揭示复杂的生命现象,是当前生物信息学研究的重要内容。大量实验表明:基因调控网络具有非线性相互作用、时间延迟、信号路径正负反馈、以及随机涨落等一般特性。研究基因调控网络随机动力学机制,已成为后基因组时代生命科学的前沿课题之一。本文的工作正是以非线性随机理论和计算机模拟技术为基础,重点对（1）果蝇生物钟的昼夜生理节律振荡系统、（2）裂殖酵母菌的细胞周期控制系统、（3）大肠杆菌的质粒体拷贝数控制系统的随机动力学分别进行了较深入的研究。具体取得了以下研究成果:（1）数值研究了随机涨落对于果蝇的昼夜生理节律振子的影响。假定该振子处于略远离分岔点的稳态区域。发现:当节律振子被外部光噪声或者内噪声单独驱动时,两种噪声都可以诱导时钟蛋白的昼夜节律振荡,并且分别发生了外噪声相干共振以及内噪声相干共振（尺寸共振）现象。首次考虑了内噪声和外噪声同时驱动节律振子的情形,发现内噪声会一直抑制“外噪声相干共振”,而外噪声则在一定的噪声强度范围能够促进“内噪声相干共振”。这里关于基因网络中内外噪声相互作用的工作,是对早期大量尺寸共振效应研究的一个积极补充。（2）以裂殖酵母的细胞周期确定性模型为基础,利用化学朗之万方程,首次数值研究了有限细胞尺寸对于双变异型的细胞周期的影响。发现:当系统被内噪声驱动时,在适中的细胞尺寸区域内,细胞能够从有丝分裂期M期的早期阶段连续两次重置回细胞间期G2期,从而导致了与实验观察定性吻合的细胞周期量子化现象的发生。通过调节细胞尺寸使得数值结论与实验观察最为接近,这就提供了一种粗略估计细胞尺寸的方法。（3）依据一个大肠杆菌质粒体的拷贝数控制模型,使用线性噪声近似方法,理论研究了该负反馈系统在给定稳态附近的内噪声性质。发现:在一定的参数范围内,增加信号分子的噪声强度会减少质粒体分子的噪声强度。更重要的是,我们首次推导得到了这种噪声降低效应发生的临界条件。该部分的工作为生化网络中噪声的传递以及噪声的控制提供了一个初步的定量研究思路。

全文目录


摘要  5-7
Abstract  7-11
第一章 基因调控网络中的随机性研究进展及方法  11-48
  1.1 基因调控网络中的分子生物学概念  12-20
    1.1.1 基因表达的机制  12-15
    1.1.2 基因表达的调控  15-17
    1.1.3 基因调控网络  17-20
  1.2 基因调控网络中的随机性及其研究进展  20-26
    1.2.1 基因调控网络随机性存在的实验研究  20-22
    1.2.2 基因调控网络的随机性研究进展  22-26
  1.3 非线性随机动力学研究理论及方法  26-46
    1.3.1 稳定性分析以及分岔理论  27-30
    1.3.2 介观随机动力学的数值模拟  30-39
    1.3.3 介观随机动力学的理论研究  39-43
    1.3.4 随机系统的相干共振  43-46
  1.4 本论文的主要内容和安排  46-48
第二章 随机涨落诱导的昼夜节律振荡及相干共振  48-72
  2.1 生物节律和生物钟的基本介绍  49-50
  2.2 果蝇昼夜节律时钟的确定性模型  50-53
  2.3 研究结果  53-70
    2.3.1 昼夜节律振荡模型的确定性控制及其初步研究  53-55
    2.3.2 外噪声诱导的昼夜节律振荡及相干共振  55-61
    2.3.3 内噪声诱导的昼夜节律振荡及相干共振  61-66
    2.3.4 内外噪声的联合效应  66-70
  2.4 讨论和小结  70-72
第三章 随机涨落诱导的量子化的细胞周期  72-93
  3.1 细胞周期动力学的基本介绍  74-76
  3.2 裂殖酵母的细胞周期模型  76-81
  3.3 研究结果  81-91
    3.3.1 内噪声诱导的量子化的细胞周期  81-88
    3.3.2 外部敏感参数噪声对于细胞周期量子化的影响  88-91
  3.4 讨论和小结  91-93
第四章 质粒体拷贝数控制体系中的内噪声降低效应  93-110
  4.1 质粒体拷贝数控制确定性模型  94-97
  4.2 质粒体拷贝数控制随机模型:化学主方程  97-99
  4.3 研究结果  99-108
    4.3.1 利用线性噪声近似推导内噪声强度  99-107
    4.3.2 内噪声降低效应以及临界条件  107-108
  4.4 讨论和小结  108-110
第五章 总结与展望  110-113
参考文献  113-119
致谢  119-120
博士期间完成的论文目录  120-121

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中图分类: > 生物科学 > 分子生物学 > 分子遗传学
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