基因体系中若干非线性问题的理论研究

摘要

随着21世纪科学技术的发展，人们已经能够完成生物全基因组的序列测定。然而，对于基因之间是如何相互调控以实现复杂的生物功能的，人们并没有得到统一的规律。认识并解析复杂基因调控网络的构成及其动力学机制，已成为后基因组时代生命科学中最具有挑战性的前沿课题之一。复杂基因调控网络常呈现出非线性动力学行为。基因可以出现高表达和低表达的多稳态特性，从而实现灵敏的“开关”功能；表达产物也可以表现出浓度振荡行为，它们是生理时钟等生命功能的分子机制。另外，基因表达过程是在非平衡条件下进行的介观尺度上的化学反应过程，转录和翻译过程都伴随着很大的内涨落。近年来，在生命系统中特别是基因表达过程中的内噪声引起了人们的广泛重视，产生了一大批研究结果。正如McAdams等人指出的那样，基因表达过程是“噪声的事情”。目前，大部分工作还是集中在基因体系中噪声的来源，如何表征噪声和噪声的效应等问题上，不过，近来也有的工作研究了噪声如何促进体系的某些性质。因此，在本文中，我们着重探讨在处于介观层次的基因表达过程中，环境涨落和内涨落是否可以起到一定的积极作用。 在本论文中，我们用非线性方法研究了基因体系中的几个动力学问题。发现环境涨落、内涨落等复杂性因素对基因体系的动力学行为有积极的调控作用，另外还对简单基因网络中的噪声特性作了初步研究。 我们首先研究了环境涨落对基因体系反应动力学的影响。研究结果显示，外噪声可以在体系的分岔点附近诱导反应振荡，并且，在一定的噪声强度下能够出现随机共振现象。这种随机共振现象可能会增强分子机器的能量传输作用，或者提高基因网络对外界微弱信号的响应能力，表现出一定的实际意义。 然后，我们研究了内涨落对处于介观层次的基因体系的动力学行为的影响。分别研究了内涨落对原核的合成基因网络、真核的哺乳动物生理时钟振荡的调控作用。研究结果表明，适当的内涨落可以对基因体系振荡行为具有积极作用，内涨落的存在可以使基因体系在确定性方程不发生振荡的区域发生振荡，并且可以通过内噪声随机共振使反应振荡达到最佳状态。同时，由于内涨落与体系尺度密切相关，它和体系非线性动力学机制的耦合作用，使反应具有“尺度共振”效应，这从非线性动力学角度说明了最佳尺度的存在。此外，我们还说明了两种合成基因网络模型，振子和双稳开关，经过耦合之后可以作为一个随机共振子来工作，具有利用内噪声来增强基因体系性能的能力。 最后，我们还利用振荡信号研究了一种基因网络模体中的噪声特性。研究结果显示，不同反馈类型的模体的噪声特性各不相同，这使得我们可以很简单的利用基因网络单元对振荡信号的响应来获得其网络结构的一些基本性质。

目录

文摘

英文文摘

第一章基因体系中的随机性和介观动力学简介

第二章 外噪声对基因体系动力学的影响——内信号随机共振现象

第三章 内噪声对基因体系动力学的影响——内噪声随机共振和尺度效应

第四章 利用振荡信号研究基因网络的噪声特性

硕博连读期间发表和完成的论文

致谢