目錄
《非線性動(dòng)力學(xué)叢書(shū)》序
前言
第1章 生物網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)知識(shí) 1
1.1 基本概念 1
1.1.1 基因與基因表達(dá) 1
1.1.2 蛋白質(zhì) 3
1.1.3 細(xì)胞 4
1.1.4 簡(jiǎn)單基因調(diào)控網(wǎng)的調(diào)控機(jī)制 5
1.2 轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)介 8
1.3 順式輸入函數(shù)：MM方程和Hill方程 11
1.3.1 一個(gè)壓制子與一個(gè)啟動(dòng)子的結(jié)合 11
1.3.2 一個(gè)壓制蛋白和一個(gè)誘導(dǎo)子的結(jié)合：MM方程 13
1.3.3 誘導(dǎo)子的結(jié)合和Hill方程的協(xié)作性 14
1.3.4 Monod模型、Changeux模型和Wymann模型 15
1.3.5 由一個(gè)壓制子調(diào)控的基因的輸入函數(shù) 16
1.3.6 一個(gè)激活子對(duì)它的DNA位點(diǎn)的結(jié)合 16
1.3.7 Michaelis-Menten酶動(dòng)力學(xué) 17
1.3.8 多維輸入函數(shù) 18
1.4 轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的典型模塊 19
1.4.1 自調(diào)控網(wǎng)絡(luò)模塊 20
1.4.2 前饋環(huán)網(wǎng)絡(luò)模塊 23
1.5 基因表達(dá)水平上的細(xì)胞多樣性 25
參考文獻(xiàn) 28
第2章 主方程及線性噪聲逼近 30
2.1 主方程 30
2.1.1 主方程的導(dǎo)出 30
2.1.2 生化反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程 31
2.2 F-P方程與Langevin方程 33
2.2.1 F-P方程 33
2.2.2 F-P方程與Langevin方程之間的關(guān)系 34
2.3 線性噪聲逼近 35
2.3.1 靜態(tài)線性噪聲逼近 35
2.3.2 動(dòng)態(tài)線性噪聲逼近 39
2.4 有效穩(wěn)定性逼近 43
2.4.1 一般結(jié)果 43
2.4.2 算法 45
2.4.3 應(yīng)用實(shí)例 46
2.5 基因調(diào)控中的波動(dòng)關(guān)系 51
2.5.1 一般理論 51
2.5.2 兩個(gè)例子 53
參考文獻(xiàn) 59
第3章 隨機(jī)模擬方法 60
3.1 Gillespie算法 60
3.1.1 問(wèn)題的描述 60
3.1.2 數(shù)學(xué)格式 62
3.1.3 算法步驟 64
3.2 化學(xué)Langevin方程 66
3.2.1 化學(xué)主方程 66
3.2.2 化學(xué)Langevin方程及其算法 67
3.3 τ跳躍算法 71
3.3.1 基本算法 71
3.3.2 中點(diǎn)τ跳躍方法 73
3.3.3 改進(jìn)的τ跳躍算法 75
3.3.4 一般格式 77
3.4 快反應(yīng)的擬平衡近似法 77
3.4.1 快慢反應(yīng)的分離 77
3.4.2 應(yīng)用實(shí)例 80
3.5 精確的混雜隨機(jī)模擬法 83
3.5.1 快反應(yīng)的Langevin方程 84
3.5.2 算法步驟 86
3.6 延遲情形的Gillespie算法 88
參考文獻(xiàn) 89
第4章 基因切換系統(tǒng)的隨機(jī)動(dòng)力學(xué) 90
4.1 基因雙穩(wěn)系統(tǒng) 90
4.1.1 模型及其動(dòng)力學(xué)分析 90
4.1.2 加性噪聲的效果 93
4.1.3 乘性噪聲的效果 95
4.2 雙基因雙穩(wěn)系統(tǒng) 96
4.2.1 協(xié)作結(jié)合的基因開(kāi)關(guān)：toggle switch 97
4.2.2 非協(xié)作結(jié)合的基因開(kāi)關(guān) 99
4.3 連貫切換 108
4.3.1 隨機(jī)模型 108
4.3.2 內(nèi)部噪聲的效果 110
4.3.3 外部噪聲的效果 111
4.3.4 輸入弱信號(hào)的擴(kuò)大 114
4.4 噪聲誘導(dǎo)的同步切換 116
4.4.1 基因調(diào)控網(wǎng)與數(shù)學(xué)模型 116
4.4.2 細(xì)胞內(nèi)噪聲的效果 118
4.4.3 細(xì)胞外噪聲的效果 l20
4.4.4 內(nèi)外噪聲相互作用的效果 l21
4.4.5 耦合強(qiáng)度的效果 123
4.5 公共噪聲的效果 125
4.5.1 基因調(diào)控網(wǎng)與數(shù)學(xué)模型 126
4.5.2 同質(zhì)情形 l27
4.5.3 異質(zhì)情形 l29
參考文獻(xiàn) 132
第5章 基因振子的分類(lèi)及生物節(jié)律 134
5.1 從切換到振動(dòng) 134
5.1.1 單基因自調(diào)控模型 134
5.1.2 振動(dòng)的產(chǎn)生 l36
5.2 光滑振子 140
5.2.1 壓制振動(dòng)子：repressilator l40
5.2.2 簡(jiǎn)化的壓制振動(dòng)子 145
5.3 松弛振子 147
5.4 隨機(jī)振子 149
5.5 果蠅和脈孢菌中的節(jié)律振子 150
5.6 分組的果蠅節(jié)律鐘中神經(jīng)傳遞元調(diào)庭的節(jié)律行為 155
5.6.1 模型 l56
5.6.2 結(jié)果 158
參考文獻(xiàn) 165
第6章 基因振子的同步與聚類(lèi) 168
6.1 模擬生物鐘 168
6.1.1 模型 l69
6.1.2 數(shù)值結(jié)果 171
6.2 快速閥值調(diào)幅機(jī)制 173
6.2.1 模型 173
6.2.2 數(shù)值結(jié)果和理論分析 l76
6.3 光滑振子的同步、聚類(lèi) 181
6.3.1 吸引耦合的效果 l81
6.3.2 抑制耦合的效果 184
6.3.3 公共噪聲的效果 185
6.4 松弛振子的同步、聚類(lèi) 187
6.4.1 吸引耦合的效果 187
6.4.2 抑制耦合的效果 l89
6.4.3 公共噪聲的效果 l90
6.5 隨機(jī)振子的同步、聚類(lèi) 191
6.5.1 吸引耦合情形 193
6.5.2 抑制耦合情形 201
6.6 順式調(diào)控構(gòu)件驅(qū)動(dòng)多細(xì)胞圖案 206
6.6.1 設(shè)計(jì)和模型 206
6.6.2 結(jié)果與分析 211
6.7 暫態(tài)重設(shè)機(jī)制 214
6.7.1 機(jī)制的刻面 214
6.7.2 數(shù)值模擬 214
6.8 生物節(jié)律的人工控制 215
6.8.1 細(xì)胞間沒(méi)有細(xì)胞通信情形的控制 216
6.8.2 細(xì)胞間有細(xì)胞通信情形的控制 220
參考文獻(xiàn) 224
第7章 噪聲信號(hào)的傳播 227
7.1 信號(hào)傳送過(guò)程巾的功率譜和噪聲 227
7.1.1 單信號(hào)情形 227
7.1.2 耦合信號(hào)情形 229
7.1.3 一般情形 231
7.2 典型生化模塊中的噪聲傳播 232
7.2.1 三種典型生化反應(yīng)模塊 232
7.2.2 推拉網(wǎng)絡(luò)模塊 235
7.2.3 MAPK級(jí)聯(lián)和模塊性 239
7.3 代謝網(wǎng)絡(luò)中的噪聲傳播 244
7.3.1 單節(jié)點(diǎn)情形 244
7.3.2 線性通路 247
7.3.3 相互作用的通路 253
7.4 基因調(diào)控過(guò)程中的噪聲傳播 258
7.5 關(guān)于噪聲傳播的進(jìn)一步討論 260
7.5.1 格式化模塊 260
7.5.2 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)中波動(dòng)的關(guān)聯(lián)性 262
7.5.3 代謝網(wǎng)中波動(dòng)的獨(dú)立性 265
7.5.4 超敏感效果的分析 269
7.5.5 反饋噪聲壓制的物理限制 275
參考文獻(xiàn) 282
第8章 其他典型動(dòng)力模型分析 283
8.1 模擬趨化現(xiàn)象的一般模型 283
8.1.1 理論分析 283
8.1.2 相的特征 287
8.2 延遲誘導(dǎo)的振動(dòng) 288
8.2.1 情形1：延遲退化的蛋白質(zhì) 289
8.2.2 情形2：具有延遲產(chǎn)物的負(fù)反饋 293
8.2.3 情形3：具有聚合物的負(fù)反饋 298
8.3 公共噪聲誘導(dǎo)的同步與聚類(lèi) 300
8.3.1 理論分析 300
8.3.2 聚類(lèi)的控制 304
8.3.3 數(shù)值例子 307
8.4 組合調(diào)控的模式 309
8.4.1 數(shù)學(xué)模型 310
8.4.2 理論分析 312
8.4.3 數(shù)值結(jié)果 323
參考文獻(xiàn) 325