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生物网络模块及其动力学

作　者: 刘登宇
导　师: 刘曾荣；王瑞琦
学　校: 上海大学
专　业: 信息与通信工程
关键词: sRNA 反聩环噪声过滤响应时间信号转导网络基因调节网络振动双稳性动力学
分类号: Q811.4
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

生物学的根本目标是理解生物系统的每一个细节及其原理。系统生物学就是要将所有的这些子系统放入整个生物系统的大环境中考察其所有的相互关系。系统生物学是一门新兴的交叉学科,它涉及生物、数学、计算机等学科的融合。本文在第一章首先简单介绍了系统生物学及其发展,它的特点,以及研究方法。然后介绍了基因的转录翻译等概念以及非编码基因的功能,尤其是小RNA的功能和调节。最后介绍了怎样用动力学方法去研究系统生物学,即怎样建立研究对象的微分方程模型,及其处理方式。各种细胞元件彼此相互作用,构成各种生物网络,而这些网络又是由许多小的模块或motif构成,而这些motif很多是由反聩或前聩环构成的。介绍了怎样用微分方程模型去研究这些简单的反聩环。第二章主要研究信号转导和反聩环中如何处理噪声。在细胞中有很多相互作用的生物元件构成正的或负的反聩环或负反聩环,这些反聩环又形成各种各样的生物网络。当生物信号通过这种生物网络进行转导时,会受到影响,甚至被扭曲,所以对受到外部或内部噪声影响的信号进行处理是一个十分重要的问题。这一章首先介绍细胞中信号通路,信号在细胞信号通路中转导的过程。然后介绍在信号网络中,发现是由许多生物模块构成的。而这些生物网络模块则是由由正的或负的反聩环构成的。接着研究系统的响应时间和噪声放大率的关系,得出响应时间同噪声放大率两者的关系。最后研究如何通过反聩环的藕合方式提高系统过滤噪声的能力。第三章主要研究小RNA在基因调控中的作用。在几乎所有的细胞过程中,小RNA(sRNA)、mRNA和蛋白质三者之间的相互作用对细胞调节都起着关键性的作用。基因调节中的转录后调节因子以及不同细胞过程中的小RNA调节机制和作用需要进行深入研究。当sRNA参与细胞过程的调节时,它主要调节mRNA的降解和翻译抑制过程。本章主要研究在两种机制下的两种基因模型的动力学行为。对这两种模型的双稳和振动等动力学行为进行比较,并提示它们之间的基本区别。这项研究对小模块构成的复杂网络具有指导性意义。sRNA调节的motif研究也是生物工程和人工控制等方面的研究课题之一。

全文目录

摘要  6-8
Abstract  8-12
第一章绪论  12-46
  1.1 系统生物学简介  12-14
  1.2 系统生物学的基本特点  14-16
  1.3 系统生物学研究方法  16-22
  1.4 非编码小分子RNA  22-31
    1.4.1 基因的表达  22-24
    1.4.2 转录  24-25
    1.4.3 mRNA的加工  25-26
    1.4.4 翻译  26-27
    1.4.5 非编码RNA的发现与命名  27-28
    1.4.6 非编码RNA的功能  28-29
    1.4.7 非编码RNA分类  29-30
    1.4.8 非编码RNA的作用机制  30-31
  1.5 基因调控网络  31-32
  1.6 酶催化反应动力学  32-38
    1.6.1 质量作用定律  32-33
    1.6.2 复杂反应的近似处理方法  33-36
    1.6.3 Michaelis-Menten函数  36-37
    1.6.4 Hill函数  37-38
  1.7 反馈调控  38-44
  1.8 本文主要工作  44-46
第二章信号转导及其噪声过滤  46-67
  2.1 细胞的信号转导通路  46-48
  2.2 信号转导模块研究  48-55
  2.3 信号转导的响应时间  55-57
  2.4 噪声过滤  57-59
  2.5 通过反聩环的藕合提高过滤噪声的能力  59-65
  2.6 结论  65-67
第三章小RNA在基因调节中所引起的双稳性和振动  67-87
  3.1 背景简介  67-69
  3.2 两个模型  69-75
  3.3 由sRNA调控引起的双稳性研究  75-78
  3.4 sRNA引起的振动研究  78-80
  3.5 两个模型的比较研究  80-83
  3.6 线性和非线性降解  83-84
  3.7 结论  84-87
第四章结论与展望  87-89
参考文献  89-102
攻读博士学位期间完成及发表的论文  102-104
致谢  104

生物网络模块及其动力学

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