基于规则的细胞信号系统建模

发布时间：2018-05-28 15:17

本文选题：细胞信号系统 + 基于规则建模　；参考：《吉林大学》2017年硕士论文

【摘要】：在现代生物学中生物组成鉴定的阶段即将完成,在能够获得细胞内清晰的组成物时如何能够在更高的抽象层面上理解生理调控方式和信息传导网络的全面功能而不是单一基因水平便变得越来越重要。医药学因为需要了解疾病和开发治疗方法的需求也增加了对特定生理过程理解的实际需求。这促使系统生物学领域需要创建一套可计算模型和方法来从系统上分析和了解细胞信号调节的机制和原理,其中包括细胞信号系统的行为是如何从其组成生物分子的物理相互作用中产生的,这些功能的基本设计原则和表示方法是什么以及这些交互作用是如何执行信息处理和决策选择功能的问题等。而通过计算机编程可计算的模型来模拟反应网络的信号传导过程是研究的主要方向。为了学习和理解细胞中决策与交互系统的进行过程,单靠纯人力的计量生物实验是不切实际的,需要抽象出计算模型去模拟这种复杂系统的行为,并通过结合各种各样真实生物学实验的观察数据,能够提供一些重要的模拟数据进而产生新颖和有用的假设。但是当尝试对细胞信号传导网络进行计算模型的构造时,都要面临系统组合复杂性问题。这主要是由蛋白质信号分子之间复杂的多种组合和多重修饰引起的,并且这种分子组合衍生出的多种分子物种过程又会增加参与到信号传导网络中的化学反应数量,最终导致了系统的组合复杂性。基于规则建模是解决上述组成复杂性难题的一种建模方法。基于规则的模型通过仅定义大分子复合物内的反应基序以及涉及到的那些基序的相互作用和修饰来代替手动列举可能存在于系统内的所有可能的物种和反应。规则具有与化学反应基本相同的形式,通过形成特定的反应类别提供了定义不同反应模板的功能。现如今有多种不同的研究方法和软件使用基于规则的建模方式完成了对一些被研究透彻的生物反应网络建模过程,并且成立了不同语言构造的基于规则模型的。BioNetGen是一个用于构建和模拟基于规则的模型的开源软件包。它已被用于模拟多种生物过程,包括细胞信号传导,基因调节和代谢。模型是用人类可读的,基于文本的建模语言BNGL编写的。模型也可以导出为不同的格式,例如SBML和MATLAB语言。本文采用基于规则的方法对大肠杆菌内乳糖操纵子的基因表达调控过程进行可计算模型的建模。在对其生理过程充分理解的基础上,使用更精确的规则设计完成反应物质的定义与模拟正负反馈调控机制的进行,提供了在BioNetGen下计算模型表示程序的代码设计,相应参数的使用以及反应物质浓度变化的曲线图像。通过设计不用调控机制的单独与混合模拟过程以及对大量对比实验数据结果的分析,详细阐述了如何采用以调控模块为划分的思想,逐步扩展对复杂反应网络的规则表示。对比其他方法的建模结果,在使用更少的规则模式的同时得到了更明显的实验效果,展现了基于规则的建模方法在降低反应网络系统复杂度上的有效性,同时也说明了扩展建模的可行性。
[Abstract]:In order to study and understand the mechanism and principle of cell signal regulation , it is necessary to establish a set of computational models and methods to simulate these complex systems .
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TP399-C8;Q811.4

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