含microRNA作用系统的动力学和控制研究

The discovery of microRNA is an important discovery in recent scientific evidence. It was awarded twice by Science Journal as the most important scientific breakthrough in the world. We have obtained many significant results in microRNA regulation and its corresponding biological function. Meanwhile, we have acquired the high agreement by international counterparts, and invited to publish our works in Springer Publishing House. Besides, this research aims to research comprehensively the microRNA system and its biological function by using dynamical system method and control theory. Thus, it is worth of being expected that we will make progress in the fields, such as stability, robustness, exact regulation, combined regulation and transit behavior of microRNA systems. This research has not only the theoretical significance in dynamical system and control theory, but also has the potential application value in other fields due to its applied background. Finally, this project itself can also bring us a new place in the modern scientific field.

MicroRNA功能的发现是近期科学上的一项重大发现，Science杂志十年来两次评选此项研究是世界上重大科学进展。我们抓住机遇，在microRNA的调控分析及其相应的生物功能方面做了一些工作，得到国际同行肯定，已有国际权威出版社Springer邀请出版专著。在此基础上，本项目以含有microRNA的实际系统为研究对象，用动力学和控制方法对其功能开展研究。预期在动力系统的鲁棒性、系统的精细调控理论和方法、组合调控的策略以及系统的暂态行为分析等动力学和控制方面做出新的有意义的工作。这项工作不仅对动力学和控制的发展有理论意义，同时由于研究系统的实际背景使其存在潜在应用价值。项目本身也可以为我国在这新领域的研究占有一席之地。

本项目从动力学和控制的角度研究含有microRNA的生物系统，研究重点是从这些系统中发现动力学的新现象。首先，按照动力学和控制思路，建立该系统的网络模型；其次，研究模型的动力学行为和控制方法，从中发现动力学的新现象，研究现象产生的机制；最后，把动力学分析和控制策略的结论用来解释相关生物功能。成果包括：（1）提出了具有时滞和扩散的miRNA基因调控网络模型，结果表明时滞可以诱导Hopf分岔，并影响周期解的振幅，在一定条件下系统会出现空间非均匀的周期解。这将有助于对miRNA生物功能的研究。（2）结合HIV病毒网络，建立了带有三个时滞的HIV病毒感染模型，结果表明时滞对该系统的动力学行为有重要影响，并提出相应的HIV病毒感染的控制策略。（3）结合神经元放电现象，建立了具有时滞的FHN和BAM神经元模型，结果表明系统具有多稳性，这不仅可以解决多种优化问题，还可以应用于系统识别，信号检测和处理和医学鉴别问题的分类。4）针对细胞应对DNA损伤的p53-Mdm2癌症网络，建立具有时滞的P53动力学模型，分析了Hopf分叉引起的振荡行为的影响。研究有助于更好地了解p53途径的生物学功能，并为癌症的治疗提供新线索。5）建立具有时滞的NF-κB网络调控模型，结果表明时延可以驱动NF-κB信号系统的振荡动力学。（6）研究了实际生物系统的班图动力学性质。获得了图灵分叉，鞍形节点分叉，网络矩阵特征值的近似范围，扩散的不稳定性条件，网络之间的连接概率。将此分析应用于神经元的突增，揭示了该系统具有丰富的动力学。(7)利用间歇控制和脉冲控制这两种不连续控制的思想，建立有限时间内实现网络同步的不连续控制方法。利用动力系统稳定性理论和复杂网络同步控制理论，对不连续控制下复杂动力网络的有限时间同步问题进行研究，并将之应用于多细胞系统集体节律研究，为临床治疗与昼夜节律紊乱相关的疾病提供理论依据。本项目四年累计发表国际知名SCI期刊论文28篇。在Springer出版社及科学出版社出版出版专著专著2部。获得教育部自然科学二等奖一项。