随机环境下前馈型基因调控网络的能量消耗和适应性机制研究

The energy conversion and consumption are the basic characteristics of the life. The prerequisite for the life is to provide it with the energy in a variety of biological processes and functions. As a unique regulatory network module, the feedforward gene regulatory network plays an important role in the adaptation of organism and the choice of cell fate. Therefore, it is significant to study on energy dissipation and adaptability mechanism of feedforward gene regulatory network.The development of the related theoretical methods and their practical application is very important. Based on using nonequilibrium statistical physics theory and stochastic dynamic method, this project study the quantitative relationship between energy consumption and adaptability of the feedforward gene regulatory network in random environment.This project use the budding yeast cell fate regulation network as a specific example and expect to explain the reasons for the selection of feedforward regulatory networks after a long evolutionary process. This project discuss the effects of the structure and function of the simple network on the energy dissipation and want to find out the universal law of energy consumption and adaptability and the general principles of biological network design. On the one hand, this work can enrich the theory of non-equilibrium statistical physics. On the other hand, it has important practical significance to deeply understand the character of gene regulatory networks and the mechanism of energy consumption.

能量转换与消耗是生命现象的基本特性，生命持续存在的前提条件是为其提供各种生物过程和功能实现所需的能量。作为一种具有独特功能的基因调控网络模块，前馈型调控网络在生物体的适应性以及细胞命运抉择中发挥着重要作用。因此对前馈型基因调控网络的能量耗散及适应性机制进行研究，发展与之相关的理论方法及其在实际问题中的应用，具有重要意义。本项目以随机环境下的前馈型基因调控网络为研究对象，利用非平衡统计物理理论以及随机动力学方法，研究简易网络的结构功能对生物能量耗散的影响以及能量耗散与适应性的定量关系，进一步应用于芽殖酵母细胞命运抉择调控网络，阐述生物体经过漫长的演化过程选择前馈型调控网络的机制，揭示生物体能量消耗与适应性的普遍规律及生物网络设计的一般原理。该项目一方面可以丰富非平衡统计物理的理论方法，具有重要理论研究价值，另一方面对深刻理解基因调控网络的性质和耗能机制具有重要的现实意义。

能量的输入和耗散是细胞内生化过程的动力学以及功能的理化基础，因此结合最新的理论和实验进展，探索基因调控体系中的能量消耗和随机动力学特征，是当前非平衡统计物理研究的热点。我们主要在以下三个方面取得了一些成果，包括基因调控网络的能量消耗，简易网络的随机性特征，噪声的积极效应。首先，通过研究骨骼肌发育过程的一个多信号通路调控网络，在这样一个典型的第一类非一致前馈环模型的基础上得到了相应的能耗关系。第二，我们分析了基因转录调控系统中互相关的正弦维纳噪声诱导的开关过程，揭示了有界噪声和延迟反馈对基因转录调控系统的影响。利用维纳过程模拟了外部弱准周期信号相位的随机波动，揭示了前馈型Hodgkin–Huxley网络中信号相位的随机波动和突触连接的周期性耦合强度对弱准周期信号传播的影响。第三，我们深入研究了噪声的积极影响，发现在非线性系统中可以用正弦维纳噪声驱动逻辑运算。接着，注意到谐波干扰也可以作为驱动力也可以实现正确的逻辑操作，因此我们发展了双谐波驱动的逻辑振动共振理论，利用双谐波扩展了最优参数区域，还利用分岔图将逻辑输入和输出联系，为逻辑随机共振现象提供了一个理论解释。接着，我们在双稳系统中实现了置位复位锁存功能，确立了信号的阈值条件。进一步，我们将双稳系统推广到三稳系统，实现了更多的逻辑功能。此外，我们还分析了正负反馈以及延迟效应，研究其随机性特性，得到了一般的规律。

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