细胞噪声信号在大中型调控网络和空间中的计算和表征

研究细胞调控网络对胞内外信号的处理和控制过程是深入了解细胞生命活动的一项重要内容，而细胞内生物大分子相互作用的内禀随机性和环境涨落对信号的处理有着不可忽略的影响。本项目结合方程求解、随机模拟、图论分解等多种理论手段，采用和发展高效迅捷的分析和计算工具，研究噪声信号在大中型细胞调控网络中的传输、控制、加工，探讨噪声信号传递和网络结构之间的关系，识别和分析离散噪声在生化网络传输和细胞内外空间传导的特性并探查其对细胞状态和空间组构的影响。所发展的方法将被用于分析MAPK调控网络，Toll-like 细胞受器调控网络，B.Subtilis适配周期调控，果蝇的卵母细胞发育等常见重要细胞调控网络。

本项目研究噪声信号在细胞调控网络和空间中的传递、转化和生化效应，发展了一系列崭新的计算分析工具，并观测到很多由噪声涨落、非平衡态和动力学非线性引起的物理和生化现象。主要创新如下：..1) 开发了快速、高效的数值计算和理论工具研究和分析噪声信号。如何进行快速的数值计算和有效的理论分析是研究细胞中噪声信号传递的关键。这里，我们做了两方面的工作。首先，我们改进了模拟生化反应随机过程最为流行的Gillespie和tau-leap 算法，克服了一般算法中分子数有时为负的问题，保持了对精度的控制和计算的效率。同时，我们通过构建新型的基函数，利用系统的动力学特性和研究者感兴趣的观测对象，将基于概率生成函数的变分方法扩展到更加一般的大中型网络。 ..2）研究了信号在不同噪声、网络结构和非线性状况下演化的计算。噪声信号在细胞调控网络中的传输，目前还没有系统的处理手段。我们基于生成函数和算符代数设计了一套崭新的计算方法来研究噪声信号的传递。这套思路首先贯彻到了随机序列的研究，可以较准确和迅速得到随机序列的增长率，甚至一些其他方法很难得到的解析结果。这一方法被推广到具有多步记忆的序列中。运用同样的手段，我们还研究了在不同线型网络中的不同噪声信号的平均第一通过时间的变化。对于带有混沌现象的动力系统，我们改进了圈图展开算法的收敛速度，为可观测量平均值的计算带来方便。 ..3）研究了噪声在细胞调控网络和其他系统中产生的特有现象。 大涨落的离散噪声和系统的非平衡态可以引发确定性描述和平衡系统中所没有的现象。我们研究了噪声引起的亚稳态，计算了噪声信号在B.Subtilis 适配周期(competence cycle) 中各稳态间跃迁的平均第一通过时间和跃迁过程的最可几轨道。另外，我们考察了在不同温热源驱动的布朗马达的定向运动。这对我们分析信号噪声涨落在细胞内引发的物理效应，提供了理论指导。 ..4）研究噪声信号在空间中的传播和对反应物空间分布斑图的扰动。根据噪声的性质和细胞内外环境，噪声信号的空间传输具有复杂的表象。我们研究了果蝇卵母细胞的发育细胞分化和结构形成中噪声对化学斑图初始定位的扰动和对后继同步化的作用，以及对个体差异形成的贡献。最近，我们又考察了由可激发节点构成的网络上各种波传播的特性，揭示了一类斑图形成的物理机制和对小噪声微扰的稳定性。