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

1、基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)是一類重要的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，它是生命體能夠完成各種復(fù)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(luò)的拓?fù)浜蛣恿W(xué)特性已成為21世紀(jì)生命科學(xué)研究中最重要的課題之一。但是基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)自身的復(fù)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(xué)家發(fā)現(xiàn)復(fù)雜的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)是構(gòu)建在結(jié)構(gòu)簡單的motif之上的?；蛘{(diào)控網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(luò)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(luò)和計算機模擬網(wǎng)絡(luò)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(xué)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(dāng)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?qū)崿F(xiàn)狀態(tài)的受控快速轉(zhuǎn)換和蛋白質(zhì)濃度高達(dá)三個數(shù)量級的放大。這種基

4、于噪聲的生物轉(zhuǎn)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?qū)崿F(xiàn)狀態(tài)的自發(fā)轉(zhuǎn)換。這種狀態(tài)的自發(fā)轉(zhuǎn)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(dāng)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?qū)崿F(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