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易物模型研究及其在生物调控网络中的应用

作　者: 于连江
导　师: 梁艳春
学　校: 吉林大学
专　业: 计算机应用技术
关键词: 物品交换组合优化 DFS AEM 基因调控蛋白质调控复杂网络社团
分类号: Q811.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 41次
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内容摘要

纵观生活中的一些例子,我们会发现很多有趣的现象,那就是各种相互循环作用关系无处不在。在很多方面,如从医学角度看,人体五脏六腑之间互相联系,相生相克的五行学说,它们之间存在一个循环的环路作用关系。从数学角度看,有很多的无限循环小数,其中存在着小数循环的关系。从音乐角度看,每一类音乐的内在打拍的节奏是遵循一个循环的关系。从乐器角度看,古希腊的大数学家毕达哥拉斯发现了音乐数,二胡或三弦存在长度比值3,4,6这样一个循环的关系。从经济角度看,客户、银行以及企业之间存在一个相互借贷的关系。从互联网上的贸易活动角度看,买家、卖家以及第三方之间又存在一个买卖信用的关系。当然现在又出现了很多物品交换的网站,换客之间存在一种循环的物品交换的关系。还有很多其他的问题,如我们经常讨论的TSP旅行商问题,来求解最小代价的环路;城市规划问题中,如何找最小开销的环路规划方案;旅行社在一个景区如何寻找若干条旅行路线,使得每个景点被参观一遍,并且每条路线都是最小开销等等。有很多这样的例子,由此形成一个相互作用的网络,这个网络从简单的两者之间的关系复杂到成千上万的科学家协作网、社会关系网、Internet网络等等各种复杂的网络。正是这样社会日常活动对本文的课题给予了启发,以其中的网上物品交换为例,如果可以提出一个解决方案,不就可以满足众多的换客,让他们得到自己想要换取的东西了吗?同时,还可以帮助每个换客查看当前情况下,能否换到自己想要的东西?基于这一点出发,本文以网上的物品交换为例子展开分析和讨论。本文提出了一种解决方案或者是建立了一种求解模型来解决这个实际的物品交换问题,并且,把这个求解模型的解决方案应用到一些相互作用关系网络中。比如说,应用到金融中来解决一些银行客户之间的借贷关系,应用到城市规划中来解决一些规划方案的设计问题,应用到旅游中解决一些最小旅行线路开销问题,应用到生物学中来解决一些调控网络的问题以及一些类似TSP环路旅行商等问题。相信解决这些问题都会给我们带来很多的实际效益和意义。本文以生物信息学中的蛋白质相互作用网络和基因调控网络为例,以点带面的来介绍本模型在该领域的应用并说明其意义和价值。目前,还没有人从这些相互循环作用的网络中提出相关模型,并在一些相互作用网络中来研究应用模型后挖掘出来的循环作用的环路问题,所以,这也是本文创新的一个地方。通过分析网上物品交换活动关系,以此为实例,利用计算机科学的方法,采用相关的图论知识建立一种新的组合优化模型,称之为易物模型(AEM)。在Windows平台上,用C++语言编写代码,在Microsoft Visual Studio 2008平台中编译实现,通过数值模拟实验,验证本模型及其求解算法的有效性,并解决了易物活动中众多换客的易物请求。通过理论分析和实验验证,本模型的求解算法可以用来计算包含几万个节点和上亿对关系的一个复杂网络,在正文中,数值模拟的网络规模已经达到了包含几万个节点和几百万对关系。无论从时间复杂度,还是空间复杂度以及计算规模上来看,本模型都很有效,这也是本模型求解算法的一个亮点。同时,为了扩展应用,本文将提出的易物模型与复杂网络相结合,采用其中的社团发现算法Newman快速算法的思想,应用于生物信息学中的拟南芥花药表达基因调控网络和人类蛋白质互作网络(简称HPRD),通过蛋白质相互作用网络可视化系统软件Osprey 1.2.0版本和显示生物分子交互作用网络的生物信息学软件Cytoscape 2.6.2版本对本模型计算出的结果进行了分析讨论。通过分析,我们得知,在这样的生物学调控网络中也存在这种相互循环调控作用的环路特性。通过模型的应用,使得一个复杂的生物学网络变得简化。在本文中,我们从找到的蛋白质相互作用环路来分析,发现,循环作用的这些蛋白质彼此都有相近的功能,在一起又完成一个或多个共同的功能和作用。说明了本易物模型不仅可以简化复杂的网络,让我们有很好的入手点,同时得到的环路结构又具有重要的意义,这也为我们进一步研究提供了帮助信息。目前关于基因网络的研究有很多模型,他们都是从微观的角度入手,如布尔网络模型、线性组合模型、加权矩阵模型、贝叶斯网络模型以及微分方程模型等,他们都是从生物实验角度,利用基因微阵列数据来研究这样的一个生物基因调控关系与作用。但本文提出的易物模型,并不是单一来解决网上的物品交换问题,也不是针对这样的一个生物基因调控网络,而是从更广的一个关系网络角度,提出来AEM,并把它在应用到各种关系网络中,为讨论和研究这个网络而设计。通过本文的整体结构安排,较清楚的论述了易物模型AEM提出的原由,以及解决了网上的易物交换问题。同时将本易物模型AEM应用于生物系统中的调控关系网络中,通过应用拟南芥花药表达基因调控网络的数据和人类蛋白质互作网络的调控关系的数据进行计算,从结果分析中说明了该模型的实际意义,实现了我们研究这样一个循环调控关系的目的。尽管和其他的模型相比,可能还有些欠缺,但是我们出发的角度不同,解决的实际问题的角度也不同,应用的领域角度也不同。相信,本模型的思想,在其他的问题中,如城市规划、银行借贷、旅游以及类似TSP的一些循环或者环路问题,该模型亦有很好的应用价值和实际意义,我们也会在以后的研究工作中继续深入探讨与研究。

全文目录

摘要  4-7
Abstract  7-12
第1章绪论  12-20
  1.1 本文的意义和目的  12-18
    1.1.1 研究背景及现状  12-15
    1.1.2 文献综述  15-18
    1.1.3 理论和实际意义及目的  18
  1.2 本文的主要工作  18-19
  1.3 本文的结构安排  19-20
第2章生物信息学相关知识  20-25
  2.1 生物信息学中的计算机技术  20-21
  2.2 蛋白质相互作用网络  21
  2.3 基因调控网络  21-25
第3章易物模型  25-43
  3.1 引言  25
  3.2 易物模型  25-27
    3.2.1 易物模型的定义  25
    3.2.2 易物模型的建立  25-27
  3.3 易物模型的求解算法的探讨及设计  27-36
    3.3.1 图论相关知识介绍  28-32
    3.3.2 算法数据结构的设计及定义  32-34
    3.3.3 求解算法的具体步骤及流程  34-36
  3.4 求解算法的时间复杂度与空间复杂度的分析  36-37
    3.4.1 时间复杂度 T 的分析  36
    3.4.2 空间复杂度 S 的分析  36-37
  3.5 数值实验结果分析  37-42
    3.5.1 数值实验数据集说明  37
    3.5.2 数值实验过程说明  37-38
    3.5.3 数值实验结果及分析  38-42
  3.6 本章小结  42-43
第4章易物模型结合复杂网络在蛋白质和基因调控网络中的应用  43-75
  4.1 引言  43-44
  4.2 复杂网络相关知识介绍  44-49
    4.2.1 复杂网络聚类  46-48
    4.2.2 网络聚类算法介绍  48-49
  4.3 易物模型在人类蛋白质互作网络中的应用  49-57
    4.3.1 人类蛋白质互作网络的介绍  49
    4.3.2 数值实验数据集说明  49-51
    4.3.3 数值实验过程说明  51-52
    4.3.4 数值实验结果及分析  52-57
  4.4 易物模型与社团发现算法的结合应用  57-70
    4.4.1 数值实验数据集说明  58
    4.4.2 数值实验过程说明  58-59
    4.4.3 数值实验结果及分析  59-63
    4.4.4 易物模型应用于人类蛋白参考库的意义  63-70
  4.5 易物模型在拟南芥花药表达基因调控网络中的应用  70-73
    4.5.1 拟南芥花药表达基因调控网络的介绍  70-71
    4.5.2 数值实验数据集说明  71
    4.5.3 数值实验过程说明  71-73
    4.5.4 数值实验结果及分析  73
  4.6 本章小结  73-75
第5章结论与展望  75-76
  5.1 工作总结  75
  5.2 研究展望  75-76
参考文献  76-85
作者简介及科研成果  85-86
致谢  86

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