基於多尺度耦合特徵的基因調控網路動態演化機制研究

《基於多尺度耦合特徵的基因調控網路動態演化機制研究》是依託武漢理工大學，由凌光擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：基於多尺度耦合特徵的基因調控網路動態演化機制研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：凌光
• 依託單位：武漢理工大學

項目摘要

多尺度耦合是基因調控網路的重要特徵之一，廣泛存在於調控數據、拓撲結構、功能構成、時空分布等多個方面。本項目從多尺度耦合的角度出發，結合數據挖掘和複雜網路理論，研究生命現象的多樣性和複雜性。主要研究包括：基於基因晶片表達數據的混雜多尺度性，發展有效的數據多尺度預處理算法和數據挖掘算法，識別各基因元件間的調控關係，重構複雜基因調控網路；對典型的基因調控網路建立多時空多層次的多尺度耦合基因調控動力學模型，研究環境噪聲、時滯、耦合通信方式與重要生物小分子對調控過程的影響和作用，研究大尺度巨觀多樣化動力學行為的產生機制；基於基因表達數據和調控網路結構，對重要基因模體和模組進行識別，研究其拓撲結構特徵；量化不同模組間的動力學作用關係，結合複雜網路中尺度理論研究基因調控網路的多樣性動態演化過程。本項目的研究將為探索基因調控網路多樣性演化過程提供新的方法理論，並且將豐富現有的多尺度複雜網路的研究成果。

結題摘要

本項目從多尺度耦合的角度出發，結合數據挖掘和複雜網路理論，研究生命現象的多樣性和複雜性。首先，本項目充分考慮不同尺度上不同基因調控網路特性，結合複雜網路時滯、噪聲、拓撲切換、時空分布等動力學特點，建立了若干有代表性的基因調控網路動態演化模型。比如：考慮到大尺度基因振子網路基因節點存在的顯著差異性，建立了不確定微分方程的異質基因調控網路模型；考慮到不同尺度基因調控網路拓撲結構的動態變化，構建了混雜切換基因振子網路模型；考慮到中尺度基因模體在基因調控網路中的作用，研究了具有時滯的直接抑制耦合基因調控網路模型；考慮蛋白質的多時間尺度調控在生化反應中的作用，構建了分數階基因調控網路模型等等。同時，結合上述典型的基因調控網路多時空多層次的多尺度耦合基因調控動力學模型，研究了環境噪聲、時滯、耦合通信方式、重要生物小分子、系統離散化以及分數階等因素對基因調控動態演化過程的影響和作用，重點從複雜網路中尺度理論出發研究了基因調控網路的多樣性動態演化過程，量化不同模組間的動力學作用關係。最後，本項目從基因調控網路的套用前景出發，針對不同基因調控網路的尺度規模和結構特點，研究了不同規模基因調控網路的控制算法，包括部分脈衝控制、牽引控制、反饋控制和分數階PD控制等。本項目的研究將為探索基因調控網路多樣性演化過程和控制方法提供新的方法理論，並且將豐富現有的多尺度複雜網路的研究成果。