大学毕业论文-—基因调控网络模型.doc

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1、安徽工业大学毕业设计(论文)报告纸绪论1．1课题背景随着基因组学的发展，在短时间内可获得生物体基因表达的海量数据，这为研究和揭示基因及其产物之间的相互关系，特别是基因表达的时空调控机制奠定了基础。基因表达的调控不是单一的，孤立的，而是彼此联系，相互制约的，构成了复杂的基因表达调控网络。几乎所有的细胞活动和功能都受基因网络调控。孤立的研究单个基因及其表达几乎完全不能确切地反映生命现象本身和内在规律。因此，科学家必须从系统的观点研究多基因的调节网络，才能阐明生命的本质和疾病发生的机理。因此，基因调控

2、网络是后基因组时代研究的重要课题。基因网络研究的目的是通过建立基因转录调控网络模型对某一个物种或组织中的全部基因的表达关系进行整体的模拟分析和研究，在系统的框架下认识生命现象，特别是信息流动的规律。调控可在分子水平上分为三个层次：DNA水平、RNA水平和蛋白质水平。DNA水平主要是研究基因在空间上的关系影响基因的表达；RNA水平上，也就是转录水平上的调控，主要研究代谢或者是信号传导过程决定转录因子浓度的调控过程；蛋白质水平主要研究蛋白质翻译后修饰加工，从而影响基因表达的活性和功能。1．2基因调控

3、网络模型研究现状基因调控网络研究，离不开生物信息学和系统生物学。运用生物信息学的方法和技术通过数据采集、分析、建模、模拟和推断等手段研究复杂的网络关系，揭示有关的作用机理，是当前生命科学的热点之一。从一个初始提供的基因表达数据和调控机制先验知识建立起的模型开始，系统行为可以在各种各样的实验条件下进行模拟。将模拟表达数据和观察得到的真实表达数据做以比较，就可以给出模型适应性评价。如果模拟数据和真实数据不匹配，并且真实数据可靠，则有必要继续对模型进行修正。不断地重复重构和修正网络模型，模拟生物系统行

4、为，测试的预测结果的工作，直到获得一个理想的模型，其可以很好的与真实基因表达数据相吻合。一般来说基因调控网络有如下特点：(1)复杂的高维结构网络中节点和边的数目庞大。染色质构象，结构基因上游各种各样的调节序列，反式作用因子，RNA聚合酶活性等因素都决定了基因调控网络是一个非常高维的复杂结构。(2)网络结构动态性两个基因间的那条边是否存在、作用的方向在不同时期是可能不一样的。(3)网络中节点间作用类型复杂多变安徽工业大学毕业设计(论文)报告纸目前的研究表明，基因间的相互作用可能是一种非线形的作用关

5、系。在多因子调控模式中还要考虑不同的调控因子对同一个目标调控基因产生作用时的某种逻辑关系，这种逻辑关系是由调控模式中各调控因子的相互关系决定。(1)节点类型多种多样基因调控网络中节点的元素是多种多样。可以是DNA、mRNA、蛋白、分子、大分子、外界环境等等。(2)各节点状态是不断变化的当细胞受到不同的外界刺激或处于不同的发育阶段时，参与表达的基因是不同的，基因的表达量的变化会影响到相互作用的变化，会引起网络结构的变化。(3)一般存在反馈循环回路在生物体中各种生理上的周期现象，容易理解生物体中的相

6、互作用存在周期性，至少在网络的局部上是循环的，存在反馈循环回路。要利用数学模型建立基因调控网络时，我们必须考虑以上网络的特性。但同时也需对这些特性进行抽象化、简单化，如对随机性的描述有时只能用确定性模型。在很大程度上，基因的表达信息反映了生物体的阶段功能和状态，这就驱使人们对大规模的基因表达数据进行研究，建立基因调控和反馈网络。目前，许多实验室和研究者应用芯片技术探索基因调控网络，并取得了一些有效的结果。目前除了本文正文使用的微分方程模型以外，常用的基因调控网络模型有布尔网络模型、线性组合模型、

7、加权矩阵模型、贝叶斯网络模型、微分方程模型等等。1．2．1布尔网络模型布尔网络模型最早由Kauffman于1969年引入的，奠定了使用布尔网络研究基因调控网路的基础。在布尔网络中,每个基因所处的状态或者是“开”，或者是“关”。状态“开”表示一个基因转录表达,形成基因产物，而状态“关”则代表一个基因未转录。基因之间的相互作用关系由布尔表达式来表示，例如:AandnotB→C表示“如果A基因表达，且B基因不表达，则C基因表达”。以有向图G=(V,H)表示布尔网络，其中V是图的节点集合(图中的A、B、

8、C)，每个节点代表1条基因，或者代表1个环境刺激，H表示转录表达路径。在应用方面，Yuh等人综合以往的研究结果，详细分析了海胆安徽工业大学毕业设计(论文)报告纸StronglocentrotusPurpuratus基因Endol16，研究了如何对这一基因转录水平的基因调控网络进行了精确的逻辑描述，他们基于布尔原理描述了基因的顺式调控系统，并使其能够模拟Endol16给定的转录条件下的表达情况。Arnone和Davidson回顾了一些基因调控系统在结构和功能上的研究结果，他们认为对网络各水平下顺式