生物網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建及其拓撲性質(zhì)的探討.pdf

1、上個世紀中葉，分子生物學的興起揭開了生命科學革命的序幕。經(jīng)過幾十年努力，現(xiàn)在大家公認21世紀為生物學世紀。隨著“后基因組時代”的到來，人們已經(jīng)積累了大量的生物信息學數(shù)據(jù)，改進了高通量生物分析設(shè)備(如大規(guī)模光譜儀和基因芯片)發(fā)展了大規(guī)模收集、整合以及挖掘生物信息數(shù)據(jù)的方法和技巧，這一切使得系統(tǒng)地研究生命活動成為可能。同時，生物學家們已經(jīng)越來越多認識到，一個生物學功能只依賴單個生物分子的情況幾乎不存在。相反，生物學特性都由構(gòu)成細胞的多個成員

2、，如蛋白質(zhì)，DNA，RNA和其他小分子經(jīng)過一系列復雜的相互作用產(chǎn)生。這些新思想、新技術(shù)和新方法導致一種新的生物學的研究方法一系統(tǒng)生物學的誕生。系統(tǒng)生物學研究構(gòu)成一個生物系統(tǒng)的所有元素的相互作用，而不只是僅僅一次只研究系統(tǒng)的一個元素。也就是說，系統(tǒng)生物學是通過整合的思想來研究整個生物學。系統(tǒng)生物學，著眼與系統(tǒng)以及系統(tǒng)成份之間的相互關(guān)系，是一門包含生物信息學、計算生物學、數(shù)學建模和統(tǒng)計學的交叉學科，已成為當今生物學研究的熱點。 由于

3、系統(tǒng)生物學建模的模型為復雜網(wǎng)絡(luò)，故復雜網(wǎng)絡(luò)理論的飛速發(fā)展，標志著系統(tǒng)生物學的研究翻開了新的一頁。近年來，大量的實證表明生物網(wǎng)絡(luò)具有以下一些共同的拓撲性質(zhì)：(1) 它是一個稀疏圖：(2) 具有較小的平均路徑長度L和比同樣節(jié)點和邊數(shù)的隨機網(wǎng)絡(luò)大的聚類系數(shù)C，即小世界性質(zhì)；(3) 許多生物網(wǎng)絡(luò)在度分布上表現(xiàn)為無標度網(wǎng)絡(luò)，即它們的度分布滿足冪律分布；(4) 幾乎所有的生物網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)出度大的節(jié)點趨向于連接度小的節(jié)點，即有度的負關(guān)聯(lián)性；(5) 生物網(wǎng)

4、絡(luò)具有層次結(jié)構(gòu)，大致上分成節(jié)點、Motifs、功能模塊和網(wǎng)絡(luò)四個層次；(6) 生物網(wǎng)絡(luò)具有魯棒性。從生物進化論理論的角度來看，生物網(wǎng)絡(luò)是生物體經(jīng)過長期進化得到的，注意到生物進化包含有復制和變異兩個過程，因而可以認為生物網(wǎng)絡(luò)的拓撲性質(zhì)是通過復制和變異在進化過程中形成。從這種思想出發(fā)，近年來出現(xiàn)了許多依據(jù)這兩個原則提出了的構(gòu)造生物網(wǎng)絡(luò)的工作，每個工作都描述了上述生物網(wǎng)絡(luò)的部分特點。截止到目前的最新的報道，我們都沒有見到解決度的負關(guān)聯(lián)性這個拓

5、撲結(jié)構(gòu)特點的報道，主要的研究工作是如何由進化論來分析生物網(wǎng)絡(luò)度的負關(guān)聯(lián)這一性質(zhì)。本文主要就生物網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建及其拓撲性質(zhì)尤其是度的負關(guān)聯(lián)性質(zhì)進行了研究。 第一章，引言部分。主要對系統(tǒng)生物學、復雜網(wǎng)絡(luò)以及生物網(wǎng)絡(luò)做了介紹，著重介紹了描述復雜網(wǎng)絡(luò)的拓撲參數(shù)量以及現(xiàn)有實測結(jié)果表明的生物網(wǎng)絡(luò)的性質(zhì)。 第二章，根據(jù)生物學的復制和變異的基本原理，提出了具有反偏愛復制特性的一種蛋白質(zhì)作用網(wǎng)絡(luò)的新的演化模型。數(shù)值模擬表明：網(wǎng)絡(luò)與實測的蛋白質(zhì)

6、作用網(wǎng)絡(luò)的某些拓撲性質(zhì)能夠很好的吻合。著重討論生物網(wǎng)絡(luò)的一個重要的拓撲性質(zhì)-度的負關(guān)聯(lián)性。為了弄清楚度的負關(guān)聯(lián)性與基本生物準則的相互關(guān)系，并進一步研究生物網(wǎng)絡(luò)中度的負關(guān)聯(lián)性質(zhì)的起因，給出了一個隨機復制模型和一個反偏愛復制模型。結(jié)果表明：通過這兩種復制機制，都能從初始的中性網(wǎng)絡(luò)得到具有度的負關(guān)聯(lián)性質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)(即負關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò))，而且隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增長負關(guān)聯(lián)性越來越明顯。復制能夠使得網(wǎng)絡(luò)朝著負關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，反偏愛模型會加強這種變化趨勢。