空间随机生物系统的矩封闭方法及其应用

Complexity of bimolecular systems is mainly in differences in time/spatial scale, inherent stochasticity and network topology. These properties challenge the existing theories and methods, and it is needed to develop new theories and methods to reveal essential mechanisms of these systems. Aiming at both spatial factor and molecular noise of intracellular systems, this project studies establishment of spatial moment-closure approaches of reaction-diffusion master equations, and applies them to study spatial propagation mechanisms of noise in gene regulatory modules inside a cell. Specifically, we first establish, based on the chemical master equation, reaction-diffusion master equations applicable to study of spatial stochastic systems, then study spatial moment-closure approaches of species variables in these mathematical models (including analysis of truncation effectiveness), and finally apply our established theory and method to intracellular representative modules (e.g., gene auto-regulatory motifs considering spatial factor) and study their spatial dynamical behaviors including spatial propagation mechanisms of molecular noise and the spatial transmission mechanisms of information flow. Through these studies, we try to establish a set of theory and method for complex biological systems, which would not only provide methodology for further study of complex spatial stochastic behavior but also lay a solid foundation for better understanding of intracellular fundamental processes.

生物分子系统的复杂性主要表现在时空尺度上的差异性，固有的随机性及网络拓扑。这些性质对现有的理论与方法提出了挑战，研究这些系统需发展新理论、新方法，以便更好地揭示它们的本质运行机制。本项目针对细胞系统的空间因素和分子噪声，研究建立反应扩散主方程的空间矩封闭方法，并应用它于研究细胞内的基因调控模块中噪声的空间传播机制。细化地，首先在化学主方程的基础上，建立可应用于空间随机系统研究的反应扩散主方程；然后对这种类型的数学模型，研究物种变量的空间矩封闭方法（包括截取的有效性分析）；第三，对于细胞内的典型模块（如考虑空间因素的基因自调控模型），应用所建立的理论与方法，来研究相应系统的空间动力学行为（包括分子噪声的空间传播机制、信息流的空间传输机制等）。通过这些研究，我们试图建立一套研究复杂生物系统的理论与方法，为进一步研究其复杂的空间随机行为提供方法论，并为更好地理解细胞内的基本过程打下坚实的基础。

本项目试图建立一套分析复杂生物系统的理论与方法，为进一步研究复杂生物分子系统的空间随机动力行为提供理论基础。通过我们的研究，基本达到预期的要求。本项目首先研究了具有复杂启动子结构的转录水平上的基因表达模型，考虑了相互作用转录因子的三种调控机制对基因表达动力学的影响，所得结果表明细胞表型的产生源是复杂的，既与启动子结构有关也与调控机制有关。其次，本项目从能量的观点考察了三种调控机制中的能量消耗，所得结果表明基因表达过程中的能量消耗是调控机制依赖的。项目的相关结果对进一步理解细胞内部过程有着重要的意义，并且在生物制药、基因理疗等方面具有潜在的应用背景。本项目研究历时一年，在中文核心期刊上发表相关学术论文两篇。