基于最长控制链的基因调控网络可控性研究

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1、基于最长控制链的基因调控网络可控性研究白雪一郭炳晖李佳辉郑志明北京航空航天大学数学与系统科学学院数学信息与行为教育部重点实验室大数据科学与脑机智能高精尖中心摘要：基因调控网络的可控性是系统生物学中的重要研究领域之一，本文以人类细胞周期屮的基因调控网络为研究对象，通过布尔逻辑函数描述基因间的关联关系，并根据基因状态对基因网络的结构控制过程进行了分类重构。通过最长控制链的方法对基因调控路径进行了研究，并与极大匹配算法计算的网络结构可控性进行对比分析。结果表明，控制基因网络的能量与控制由3个节点基因CyclinDl.Myc、RB组成的链式网络的能量为同一数量级；当基因E2F1处于激活状态

2、时，基因Myc决定控制网络的能量。关键词：基因调控网络;最长控制链;网络可控性;布尔网络;极大兀配;能量;作者简介：白雪一（1992-），女，硕士研究生，主要研究方向为复杂网络与数据分析；作者简介：郭炳晖（1982-），男，博士，讲师，主要研究方向为复杂信息系统与数据分析;E-mail:guobinghui@buaa.edu.cn（通讯作者）；作者简介：李佳辉（1993-）,男，硕士研究生，主要研究方向为复杂网络与数据分析；作者简介：郑志明（1953-）,男，博士，教授，主要研究方向为复杂信息系统.E-mail:11091025@buaa.edu.cn基金：国家自然科学基金项目（1

3、1401017）;国家自然科学基金项目（11671025）;国家自然科学基金重大项目仃1290141）ResearchonControllabilityofGeneRegulationNetworkBasedontheLongestControlChainBAIXueyiGUOBinghuiL[JiahuiZHENGZhimingSchoolofMathematicsandSystemsScience,LMIBandBDBC,BeihangUniversity;Abstract：Thecontrollabi1ityofgeneregulationnetworkisoneofthei

4、mportantresearchfieldsinsystembiology-Inthispeiper,thecontrollabilityofthegeneregulatorynetworkinhumancellcycleisstudied.Accordingtogenestate,thestructuralcontrolprocessofgenenetworkisreconstructedbasedontheBooleanlogicfunctions,whichareusedtodescribetherelationamonggenes.BytheIongestcontrolch

5、ainmethod,thegeneregulatorypathisinvestigated,whicharecomparedwiththecontrollabilityofthenetworkstructurecalculatedbythemaximalmatchingalgorithm.TheresuItsshowtwofacts:theenergytocontrolthewholenetworkisthesameorderofmagnitudeastheenergyofthechainnetworkcomposedofthreegenesCyclinDl,MycandRB;if

6、thegeneE2F1isactive，thecnorgytocontrolthenctworkisdctcrmincclbygeneMyc.Keyword：Generegulationnetwork;Longestcontrolchain;Controllab订ity;Booleannetwork;Maximummatching;Energy;1引言1969年Kauffman首次提出用于研究基因调控网络的随机布尔网络模型匕21。随机布尔网络模型利用布尔逻辑和简单的“0、1”二值构建基因网络的抽象模型,用布尔函数來描述基因Z间的促进或抑制关系。1990年，随着“人类基因组计划”的正

7、式启动，系统生物学的时代正式到来，利用布尔网络在分子水平上研究基因和基因调控网络，对于探索生命的遗传秘密、推进人类的疾病诊断和治疗都具有重大的意义。随机布尔网络能够很好的反应基因网络运行过程中的复杂动态行为⑶，特别是基因间的控制关系。基因调控网络的可控性是对基因可能出现表达形态的一种状态可达属性，布尔网络的可控性是将基因调控网络中基因作用通过布尔函数描述后，根据满足Kalman可控性秩条件国_确定最小驱动节点集进而确定控制基因的模型化表示。在布尔网络的可控性方面，已经