《細胞噪聲信號在大中型調控網路和空間中的計算和表征》是依託清華大學，由蘭岳恆擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：細胞噪聲信號在大中型調控網路和空間中的計算和表征
- 依託單位：清華大學
- 項目負責人：蘭岳恆
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
研究細胞調控網路對胞內外信號的處理和控制過程是深入了解細胞生命活動的一項重要內容，而細胞內生物大分子相互作用的內稟隨機性和環境漲落對信號的處理有著不可忽略的影響。本項目結合方程求解、隨機模擬、圖論分解等多種理論手段，採用和發展高效迅捷的分析和計算工具，研究噪聲信號在大中型細胞調控網路中的傳輸、控制、加工，探討噪聲信號傳遞和網路結構之間的關係，識別和分析離散噪聲在生化網路傳輸和細胞內外空間傳導的特性並探查其對細胞狀態和空間組構的影響。所發展的方法將被用於分析MAPK調控網路，Toll-like 細胞受器調控網路，B.Subtilis適配周期調控，果蠅的卵母細胞發育等常見重要細胞調控網路。
結題摘要
本項目研究噪聲信號在細胞調控網路和空間中的傳遞、轉化和生化效應，發展了一系列嶄新的計算分析工具，並觀測到很多由噪聲漲落、非平衡態和動力學非線性引起的物理和生化現象。主要創新如下： 1、 開發了快速、高效的數值計算和理論工具研究和分析噪聲信號。如何進行快速的數值計算和有效的理論分析是研究細胞中噪聲信號傳遞的關鍵。這裡，我們做了兩方面的工作。首先，我們改進了模擬生化反應隨機過程最為流行的Gillespie和tau-leap 算法，克服了一般算法中分子數有時為負的問題，保持了對精度的控制和計算的效率。同時，我們通過構建新型的基函式，利用系統的動力學特性和研究者感興趣的觀測對象，將基於機率生成函式的變分方法擴展到更加一般的大中型網路。 2、研究了信號在不同噪聲、網路結構和非線性狀況下演化的計算。噪聲信號在細胞調控網路中的傳輸，目前還沒有系統的處理手段。我們基於生成函式和算符代數設計了一套嶄新的計算方法來研究噪聲信號的傳遞。這套思路首先貫徹到了隨機序列的研究，可以較準確和迅速得到隨機序列的增長率，甚至一些其他方法很難得到的解析結果。這一方法被推廣到具有多步記憶的序列中。運用同樣的手段，我們還研究了在不同線型網路中的不同噪聲信號的平均第一通過時間的變化。對於帶有混沌現象的動力系統，我們改進了圈圖展開算法的收斂速度，為可觀測量平均值的計算帶來方便。 3、研究了噪聲在細胞調控網路和其他系統中產生的特有現象。 大漲落的離散噪聲和系統的非平衡態可以引發確定性描述和平衡系統中所沒有的現象。我們研究了噪聲引起的亞穩態，計算了噪聲信號在B.Subtilis 適配周期(competence cycle) 中各穩態間躍遷的平均第一通過時間和躍遷過程的最可幾軌道。另外，我們考察了在不同溫熱源驅動的布朗馬達的定向運動。這對我們分析信號噪聲漲落在細胞內引發的物理效應，提供了理論指導。 4、研究噪聲信號在空間中的傳播和對反應物空間分布斑圖的擾動。根據噪聲的性質和細胞內外環境，噪聲信號的空間傳輸具有複雜的表象。我們研究了果蠅卵母細胞的發育細胞分化和結構形成中噪聲對化學斑圖初始定位的擾動和對後繼同步化的作用，以及對個體差異形成的貢獻。最近，我們又考察了由可激發節點構成的網路上各種波傳播的特性，揭示了一類斑圖形成的物理機制和對小噪聲微擾的穩定性。
