《細胞凋亡過程的快慢尺度分析》是依託清華大學，由雍穩安擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：細胞凋亡過程的快慢尺度分析
- 依託單位：清華大學
- 項目負責人：雍穩安
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
本項目通過數學方法研究細胞凋亡過程的分子機理。細胞凋亡是生命的基本現象，是由多基因嚴格控制的細胞主動死亡的一種方式，與癌症、愛滋病的發生和治療直接相關。這個過程涉及到幾十種蛋白質、上百個生化反應。用系統生物學的思想定量地研究這個過程，人們已建立了各種數學模型，這些模型通常是由幾十個非線性常微分方程組成的方程組。如此大規模的方程組極大地阻礙了數學工具的有效套用，限制了數學和系統生物學在研究凋亡過程的作用。注意到所涉及的生化反應具有不同的時間尺度，本項目計畫用多尺度分析的方法簡化已有的數學模型。通過這種簡化模型，我們可以闡明凋亡過程的魯棒性，揭示凋亡過程的關鍵調控蛋白及其間的調控關係，從而了解細胞凋亡過程的分子機理。進而，這種簡化有助於發展針對前述數學模型的多尺度數值方法。除此之外，本項目發展起來的數學方法可用於研究其它細胞行為的複雜基因調控網路。
結題摘要
本項目按照申請書規定的任務和要求，經過三年的努力成功地完成了研究計畫，取得的主要成果有： 1． 系統地研究了一般的質量作用定律控制的化學反應方程。核心結果是：如果這樣的化學反應系統遵循細緻平衡原理，那么相應的化學反應方程組具有一個新的優美的守恆耗散結構。基於這個守恆耗散結構，我們說明了化學反應動力學中經典的部分平衡近似方法的合理性。這似乎是第一次把部分平衡近似方法與經典的細緻平衡原理有機地聯繫了起來。 2． 清楚了部分平衡近似方法的適用範圍，我們就可以把它與數值模擬結合起來尋找複雜生化反應系統中的快反應。本項目中，我們集中考慮Hua等人於2005年提出的細胞凋亡模型。之所以選擇這個模型，是由於它不僅比較完整地描述了凋亡過程（直接通路和線粒體通路都考慮到了），也被許多實驗所驗證，並且具備完整的模型參數。 找到了快反應，我們大大簡化了Hua等人的模型。從這個簡化模型，我們能清晰地看到一些實驗上得到的結論。而這些結論似乎不能從原模型看出。我們也分析了簡化模型的精度、敏感度、魯棒性以及兩條通路的切換行為。 3． 作為本項目發展起來的數學方法對其他複雜網路的套用，我們提出了一個與部分平衡近似等價的矩方法。運用這個矩方法，我們得到了一個描述蛋白質澱粉樣纖維形成過程的簡單數學模型。這個簡化模型是一個2x2方程組, 從而大大簡化了相關量的計算，計算效率提高了上萬倍（從幾天到幾秒）。這使得我們對相關實驗結果的實時處理和分析成為可能。 4． 藉助數學模型，我們研究了化療引起細胞過度凋亡對造血動力學模型的影響，發現了動力學回響和化療周期之間的共振關係，刻畫了化療後採用G-CSF輔助治療對血細胞生成動力學的影響。 在本項目的支持下，我們共完成論文14篇（13篇已發表，1篇已投稿; 還有1篇在整理和一篇博士論文），發表在Biophysical J.(2), Phys. Rev. E(2), J. Theoretical Biology(3), Mathematical Models and Methods in Applied Sciences(1)等相關領域的國際著名雜誌上。
