噪声、时滞和扩散效应作用下小RNA调控网络的动力学行为及其控制的研究

Noises、delay and diffusion effect are ubiquitous in biological system which play the very important role for the dynamical behaviors of the system, so studying the small RNA regulatory network by using the theory of nonlinear dynamical system and revealing the different mechanism and the dynamical control method on activity regulated by small RNA are the kernel of the problem in this field. In this project, we would investigate the relation between the topology and the dynamical behaviors of biological network regulated by small RNA, we also study the complex dynamical phenomena (especially the self-induced stochastic resonance )induced by change of different scales and the method how to control these phenomena. In addition, we would consider the diffusion effect resulted from the changes of molecular concentrations and study the behaviors of complex pattern induced by diffusion effect in the small RNA network. We would further investigate how the noises and delay affect the complex spatio-temporal dynamical behaviors,and develop the dynamical theory of stochastic reaction diffusion equation. In the meanwhile, we would plan to use the above theory and results to explain the mechanism of different phenomena in the life activity and find the method how to control these phenomena.

噪声、时滞和扩散效应是现实生物系统中不可避免的三个因素，他们对生物系统的动力学行为起着非常重要的作用，利用非线性动力系统理论定性的研究小RNA调控网络，揭示近年来生物学界发现的关于小RNA调控生命活动的各种机制及其动力学控制方法已成为目前该领域研究的核心问题。本项目主要研究小RNA调控的网络motif的拓扑结构和动力学行为间的关系，然后根据小RNA和mRNA的作用特点，研究小RNA调控网络中不同尺度变化导致的复杂动力学现象及其控制方法，分析噪声(包括非高斯白噪声)和时滞是如何诱导不同尺度变化所涌现出的复杂动力学现象尤其是自诱导随机共振现象。此外，我们还将研究扩散效应作用下的小RNA 网络的复杂斑图动力学行为，进一步研究噪声和时滞对相应斑图的影响以及新涌现的复杂时空动力学现象，发展随机反应扩散方程的动力学理论并利用这些理论结果来解释生命活动中各种现象发生的机制并给出控制这些现象的方法。

本项目主要生物反应扩散模型为研究对象，尤其是受microRNA（统称小RNA）调控的反应扩散系统，(1) 从理论上研究了受噪声、时滞影响的生物反应扩散网络的斑图动力学行为，以及拓扑结构和斑图的关系。(2)从复杂网络的角度把反应扩散系统的图灵斑图理论从二维推广到高维，(3)并给出随机反应扩散系统理论研究的解析方法，该方法可以推广到时滞反应扩散系统中，包括随机时滞反应扩散系统的。(4)结合非平衡态随机系统的特点，通过相关共振和自诱导随机共振的理论研究了microRNA调控细胞周期紊乱的生物机制，把随机共振理论和细胞周期的紊乱调节机制结合起来。同时结合microRNA调控的群体感应模型，细胞内基因和细胞外基因相互扩散以传递信息来完成各种生命活动的群体感应机制，并把随机共振机制应用于群体感应的生物机制研究中。(5) 结合反应扩散系统中microRNA在细胞中分子表达数量的稳定性，通过吸引子（包括随机吸引子）的理论，给出了各种吸引子（对应于不同斑图）之间相变的条件。相关结果被springer出版邀请即将出版专著一部，通过项目组成员的通力合作，我们完成了原定目标，先后发表学术论文20篇，其中SCI收录16篇，JCR 2区以上期刊论文7篇，出版专著1部。