本文關(guān)鍵詞： 基因表達 首達時 爆發(fā) 隨機信號 基因調(diào)控 噪聲　出處：《廣州大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：世界上一切生命有機體,從簡單的細(xì)菌到人類自身,都是由結(jié)構(gòu)和組成非常相似功能又高度分化的細(xì)胞構(gòu)成。細(xì)胞的各種生命活動是生物生命活動的前提,是生物生長和發(fā)育的基礎(chǔ)。細(xì)胞的一些至關(guān)重要的決策,如細(xì)胞分化、潛伏期激活、細(xì)胞分裂、噬菌體的宿主細(xì)胞裂解以及一些重要的生物系統(tǒng)從活性狀態(tài)到非活性狀態(tài)的轉(zhuǎn)移等,往往依賴于特定的基因表達產(chǎn)物(蛋白質(zhì)或mRNA)數(shù)量(濃度)達到某閾值。在基因表達的背景下,基因表達產(chǎn)物數(shù)量首次達到或超過某給定的數(shù)值即閾值的時間就是基因表達首達時�；虮磉_的隨機性導(dǎo)致mRNA或蛋白質(zhì)數(shù)量為隨機的,從而基因表達首達時也是隨機的。首達時是基因表達隨機性的一個重要指標(biāo),引起許多學(xué)者的高度關(guān)注。作為生命活動核心過程的基因表達,其動力學(xué)是系統(tǒng)分子生物學(xué)的重要研究內(nèi)容。實驗結(jié)果以及理論研究成果表明大量的基因表達尤其是真核生物的基因表達,其產(chǎn)物合成的主要方式是爆發(fā)式的。爆發(fā)式表達會造成同源細(xì)胞表型的多樣性已經(jīng)被越來越多生物學(xué)家所接受。近年來,許多學(xué)者關(guān)注爆發(fā)式表達的動力學(xué),但是基因表達的爆發(fā)形式對不降解蛋白質(zhì)的均值、噪聲的調(diào)控機制,特別是爆發(fā)形式對不降解的蛋白質(zhì)首達時的影響尚未有學(xué)者深入研究。本文的第二章考慮基因表達的爆發(fā)形式對不降解蛋白質(zhì)的噪聲及首達時動力學(xué)的影響�；虮磉_這一生物體的核心過程是建立在一系列分子間相互作用基礎(chǔ)上的。它涉及到DNA分子的堿基鍵位與許多調(diào)控因子的隨機碰撞并發(fā)生反應(yīng),因此受很多因素的調(diào)控,不同調(diào)控方式對基因表達的調(diào)控效果不同。為深入了解細(xì)胞命運決策、表型切換、生物系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移等調(diào)控規(guī)律,需要從分子層面研究基因表達產(chǎn)物首達時的被調(diào)控動力學(xué)行為。因此本文第三、四章考慮隨機信號對基因表達產(chǎn)物首達時的調(diào)控機制,旨在揭示隨機信號對基因表達首達時的調(diào)控動力學(xué)行為。轉(zhuǎn)錄是基因表達的第一階段,轉(zhuǎn)錄調(diào)控被認(rèn)為是基因表達調(diào)控網(wǎng)中最重要的一種調(diào)控方式。自然,就會提出問題:轉(zhuǎn)錄調(diào)控如何影響基因表達首達時的。本文主要研究隨機信號轉(zhuǎn)錄調(diào)控以及爆發(fā)式表達對基因表達首達時的影響。通過理論分析和數(shù)值模擬,從動力學(xué)的角度研究表達的爆發(fā)形式 噪聲關(guān)系、表達的爆發(fā)形式 不降解蛋白質(zhì)首達時的噪聲關(guān)系、穩(wěn)態(tài)隨機信號調(diào)控 不降解蛋白質(zhì)首達時的噪聲關(guān)系、服從生滅過程的隨機信號調(diào)控 具有降解行為的mRNA或蛋白質(zhì)首達時的噪聲關(guān)系。研究結(jié)果揭示隨機信號調(diào)控下,基因表達首達時的若干規(guī)律,豐富首達時隨機性的內(nèi)涵。本文主要有以下幾方面的創(chuàng)新:第一,研究內(nèi)容新。首達時是隨機過程首次到達某狀態(tài)的時刻,是隨機過程一個很重要的概念,研究思想方法比較成熟。但在基因表達的背景下,首達時研究尚處于起步階段,特別是信號對首達時的調(diào)控機制尚未引起學(xué)者關(guān)注。第二,研究不同爆發(fā)形式對基因表達噪聲、基因表達首達時噪聲的影響。第三,利用Kolmogorov向后方程等,首次給出了不降解的基因爆發(fā)式表達產(chǎn)物蛋白質(zhì)首達時的均值、方差,借助于matlab直觀呈現(xiàn)隨機信號對不降解的基因表達產(chǎn)物蛋白質(zhì)首達時的影響。第四、針對服從生滅過程的隨機信號轉(zhuǎn)錄調(diào)控下游基因表達模型,討論隨機信號對下游基因表達過程產(chǎn)生的具有降解行為的分子mRNA或蛋白質(zhì)首達時的調(diào)控機制。本文各章節(jié)的安排如下。第一章,介紹基因表達及調(diào)控的基本知識,包括基本概念、基因表達模型、隨機性指標(biāo)及計算隨機性指標(biāo)的計算方法,引進基因表達首達時定義以及實驗上的應(yīng)用。同時推廣Gillespie算法到傾向函數(shù)為時間變量及狀態(tài)變量函數(shù)的情形。第二章,介紹一類基因爆發(fā)式表達的模型,研究表達的不同爆發(fā)形式對基因表達噪聲及首達時噪聲的影響。發(fā)現(xiàn)在基因表達均值以及爆發(fā)均值相等的前提下,隨機爆發(fā)增大基因表達及首達時的噪聲,條件幾何爆發(fā)相對于幾何爆發(fā)更能增加基因表達噪聲以及首達時的均值、噪聲。第三章,主要研究穩(wěn)態(tài)隨機信號對不降解蛋白質(zhì)首達時的調(diào)控動力學(xué)。首次給出了隨機信號調(diào)控轉(zhuǎn)錄率或者轉(zhuǎn)錄爆發(fā)大小時,首達時的均值和方差公式。結(jié)果表明相對于常信號,隨機信號調(diào)控傾向于增大均值及噪聲。相對于爆發(fā)大小調(diào)控,隨機信號對爆發(fā)頻率的調(diào)控傾向于增大首達時均值降低其噪聲。第四章,研究服從生滅過程的隨機信號對具有降解行為的基因表達產(chǎn)物mRNA(蛋白質(zhì))首達時的調(diào)控動力學(xué)。利用Fokker-Planck方程,給出信號調(diào)控下,具有降解行為的基因表達產(chǎn)物mRNA及蛋白質(zhì)首達時的概率分布、均值及二階矩;結(jié)果表明隨機信號調(diào)控傾向于增大均值、噪聲。第五章,總結(jié)本文的主要研究內(nèi)容,介紹基因表達調(diào)控方面仍可能存在的若干問題,展望將來的研究方向。
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本文編號：1454593