λ噬菌体侵染大肠杆菌的基因调控网络建模与分析

摘要

λ噬菌体侵染大肠杆菌的基因调控网络研究是在分子水平上研究基因调控网络甚至是调控网络的典型案例，也是系统生物学和合成生物学的基础性研究。因此，对该基因调控网络的研究具有及其重要的意义。λ噬菌体侵染大肠杆菌后一般会进入以下两种遗传状态之一：溶源状态或裂解状态。经实验和理论研究发现λ噬菌体侵染大肠杆菌的溶源状态十分稳定，甚至比其基因组的突变率还要稳定。以往的研究中，一些实验和理论研究模型已经证明了因为高浓度抑制蛋白（CI2蛋白）的存在而使得野生型λ噬菌体（简写为WT）的溶源态变得及其稳定。也有一些理论研究已经发现一些λ噬菌体突变体也具有类似野生型λ噬菌体的双稳态及溶源/裂解转换性质。然而，由于缺乏理论研究和实验研究的进一步深入研究，λ噬菌体侵染大肠杆菌的基因调控网络的溶源状态的稳定性及其突变体的双稳态、转换性质和其他未知的生物学特性还需要更进一步地深入探究，以发现该网络的其他特性和提供更加具有说服力的和综合的证明依据。
　　在本文中，我们通过了解和确定λ噬菌体侵染大肠杆菌的基因调控网络系统中的重要组件，选取具有决定性的调控作用，弄清调节因子和操纵位点的相互作用机理，把一系列相互作用模拟成生化方程，最终依靠微分方程理论推导、求解生化方程，成功地构建了一个用于描述和研究野生型和突变体λ噬菌体侵染大肠杆菌的基因调控网的生物学行为和生命规律的基础理论模型。通过该理论模型研究，我们发现野生型λ噬菌体和其突变体都具有双稳态行为和溶源/裂解转换性质，该模型的理论预测结果同实验发现是基本一致的。接着，我们研究CI2蛋白绑定到大肠杆菌右侧操纵子的第一个位点（简写为OR1）和第二个位点（简写为OR2）的协同作用，发现该协同作用在野生型λ噬菌体系统溶源态的建立和维持中发挥着重要的作用。再者，我们也研究了在溶源态建立和维持中也发挥重要作用的CI2蛋白绑定到左、右操纵子（简写为OL、OR）的协同性。结果我们发现CI2蛋白的这两种重要协同作用是使得溶源态及其稳定的重要原因。最后，我们从信息熵的热力学角度研究了该模型中的三种状态：溶源态、裂解态和鞍点的热力学性质，并推测鞍点的熵最高，裂解态次之，溶源态最低。研究结果与我们推测的结果基本上是一致的。因为复杂的生命体都有熵增加的趋势，所以它必须从环境中吸取负熵以中和正熵的产生，使系统达到稳定有序的状态。λ噬菌体侵染大肠杆菌的溶源态是最稳定有序的，因此我们从熵的物理学角度进一步证明了溶源态如此稳定的原因，这也从另一方面论证了薛定谔“生命是以负熵为生的”观点。
　　我们的研究结果将给其他研究λ噬菌体侵染大肠杆菌的基因调控网络的科研工作者提供新的理论依据、研究方法和启示。在某些方面的研究也可为实验研究者节省时间和花费。

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第一章 绪 论

1.1 系统生物学简介

1.2 λ噬菌体与大肠杆菌简介

1.3λ噬菌体基因调控网络的研究现状

1.4 本论文的主要工作和结构安排

第二章 λ噬菌体基因调控网络介绍

2.1 调控网络重要调控蛋白介绍

2.2 调控网络左、右操纵子介绍

2.3 调控网络溶源态调控机理

2.4 调控网络裂解态调控机理

2.5λ噬菌体的突变体介绍

2.6 本章小结

第三章 理论模型建立

3.1 调控蛋白与操纵位点相互作用结合态及能量计算

3.2 调控蛋白与操纵位点相互作用概率与配分函数

3.3 微分方程理论构建模型

3.4 系统信息熵计算

3.5 本章小结

第四章 结果与讨论

4.1 结果

4.2 讨论

第五章 总结与展望

5.1 本文工作总结

5.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的科研成果

附录