一类可激励基因系统的动力学分析

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细胞功能是通过基因之间的调控关系才得以实现的。认识和理解这种调控网络的构成及其动力学机制,将成为后基因组学中极具挑战性的前沿研究课题之一。本文选择了与此有关的话题—可激励基因系统。在这种系统中,外部刺激能使系统展现出原系统没有的、新的动力行为。由于这类生物系统涉及太多影响其动力学行为的因素,不同的因素能够诱导系统不同的动力学行为,因此可激励生物系统的生物物理机制到目前还未研究清楚。 本文研究了枯草芽孢杆菌感受态的进入和退出的可激励基因调控环路模型的动力学行为。结合已有的研究结果,我们得知:包含正和负反馈圈的、可激励的基因调控环路可以解释感受态的行为。根据调控关系,我们可得数学速率方程,并化简得到最终的模型方程—一个含参数的二维非线性动力系统。本文利用Matlab和分岔软件Auto详细地分析了这个系统的动力学行为,包括单稳性、双稳性、可激励性、极限环振动等动力特征。我们重点刻画了可激励性,它的存在大大丰富了这个系统的动力学。系统不同状态区域的边界部分相应于不同类型的分岔(Hopf分岔、鞍结分岔、同宿分岔等分岔),对这些分岔我们进行了较深入的研究。由于基因表达的随机性,扰动的来源比较丰富。考虑到感受态激活的三种不同来源,我们可以得到三种随机模型,但我们未做太多的调查。目前,大部分研究工作集中在感受态的持久性及噪声对系统的影响等方面,我们相信完全理解可激励基因系统的生物物理机制指日可待,可激励基因系统将会在实际中发挥更广泛的作用。
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