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生化反应系统的建模与分析 被引量:6
1
作者 雷锦誌 《江西师范大学学报(自然科学版)》 CAS 北大核心 2015年第3期230-239,共10页
很多细胞行为受细胞内基因表达和蛋白质相互作用等生物化学反应的调控.这些细胞内的生化反应表现出明显的随机性,它成为描述细胞行为的可计算建模中不可忽略的因素.该文是关于计算系统生物学中随机模拟的基本理论和新进展的自洽综述.本... 很多细胞行为受细胞内基因表达和蛋白质相互作用等生物化学反应的调控.这些细胞内的生化反应表现出明显的随机性,它成为描述细胞行为的可计算建模中不可忽略的因素.该文是关于计算系统生物学中随机模拟的基本理论和新进展的自洽综述.本综述从生化反应系统的基本假设出发,介绍关于生化反应内部噪声、外部随机扰动和包含时间滞后的反应过程的各种数学描述,包括化学主方程、化学福克尔-普朗克方程、化学速率方程、化学郎之万方程等;还介绍了相关的数值模拟方法,包括随机模拟算法和τ跳跃算法. 展开更多
关键词 系统生物学 随机模拟 化学主方程 生物化学反应 随机微分方程
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Quantitative analysis of gene expression systems 被引量:1
2
作者 Tianshou Zhou Tuoqi Liu 《Frontiers of Electrical and Electronic Engineering in China》 CSCD 2015年第4期168-181,共14页
Gene expression is a complex biochemical process, involving many specific processes such as transcription, translation, switching between promoter states, and regulation. All these biochemical processes inevitably lea... Gene expression is a complex biochemical process, involving many specific processes such as transcription, translation, switching between promoter states, and regulation. All these biochemical processes inevitably lead to fluctuations in mRNA and protein abundances. This noise has been identified as an important factor underlying the observed phenotypic variability of genetically identical cells in homogeneous environments. Quantifying the contributions of different sources of noise using stochastic models of gene expression is an important step towards understanding fundamental cellular processes and cell-to-cell variability in expression levels. In this paper, we review progresses in quantitative study of simple gene expression systems, including some results that we have not published. We analytically show how specific processes associated with gene expression affect expression levels. In particular, we derive the analytical decomposition of expression noise, which is important for understanding the roles of the factorial noise in controlling phenotypic variability. We also introduce a new index (called attribute factor) to quantify expression noise, which has more advantages than the commonly-used noise indices such as noise intensity and Fano factor. 展开更多
关键词 gene expression chemical master equation statistical quantities binomial moments expression noise
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生化反应系统的高维矩阵方程 被引量:1
3
作者 周天寿 《江西师范大学学报(自然科学版)》 CAS 北大核心 2017年第1期1-5,共5页
化学主方程对生化反应系统提供了一个建模框架,但它的分析与模拟一直是计算系统生物学的一个难题,到目前为止并没有得到解决.这里,通过引进高维矩阵及其运算规则,首先把化学主方程表示为高维矩阵方程,然后给出了其分析解的形式表示,此... 化学主方程对生化反应系统提供了一个建模框架,但它的分析与模拟一直是计算系统生物学的一个难题,到目前为止并没有得到解决.这里,通过引进高维矩阵及其运算规则,首先把化学主方程表示为高维矩阵方程,然后给出了其分析解的形式表示,此外还介绍了一种求解高维矩阵方程的高效数值方法.研究表明:高维矩阵方法似乎解决了化学主方程的分析求解和数值求解问题. 展开更多
关键词 化学主方程 高维矩阵方程 矩阵指数函数 环路算法
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Exact distributions for stochastic models of gene expression with arbitrary regulation
4
作者 Zihao Wang Zhenquan Zhang Tianshou Zhou 《Science China Mathematics》 SCIE CSCD 2020年第3期485-500,共16页
Stochasticity in gene expression can result in fluctuations in gene product levels. Recent experiments indicated that feedback regulation plays an important role in controlling the noise in gene expression.A quantitat... Stochasticity in gene expression can result in fluctuations in gene product levels. Recent experiments indicated that feedback regulation plays an important role in controlling the noise in gene expression.A quantitative understanding of the feedback effect on gene expression requires analysis of the corresponding stochastic model. However, for stochastic models of gene expression with general regulation functions, exact analytical results for gene product distributions have not been given so far. Here, we propose a technique to solve a generalized ON-OFF model of stochastic gene expression with arbitrary(positive or negative, linear or nonlinear) feedbacks including posttranscriptional or posttranslational regulation. The obtained results, which generalize results obtained previously, provide new insights into the role of feedback in regulating gene expression. The proposed analytical framework can easily be extended to analysis of more complex models of stochastic gene expression. 展开更多
关键词 gene expression ON-OFF model feedback regulation chemical master equation stationary distribution
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λ噬菌体阻抑物基因表达调控的随机稳态结构
5
作者 黄婷 张宇欣 +1 位作者 唐伟 游雄 《南京农业大学学报》 CAS CSCD 北大核心 2022年第4期721-728,共8页
[目的]本文旨在研究λ噬菌体自阻抑蛋白CI降解对基因表达稳态的影响。[方法]根据λ噬菌体阻抑物基因cI表达调控的化学反应,针对线性降解和非线性降解情形,分别建立化学主方程。通过无量纲化速率方程的分支分析,确定2种稳态结构的降解速... [目的]本文旨在研究λ噬菌体自阻抑蛋白CI降解对基因表达稳态的影响。[方法]根据λ噬菌体阻抑物基因cI表达调控的化学反应,针对线性降解和非线性降解情形,分别建立化学主方程。通过无量纲化速率方程的分支分析,确定2种稳态结构的降解速率范围,画出参数平面上的分支图。应用蒙特卡洛模拟探究cI基因表达稳态结构及其转换。[结果]随着蛋白降解速率常数的减小,蛋白的降解方式由线性降解变为非线性降解,细菌由裂解态经过不稳定的双稳态转换到溶原态。[结论]阻抑物蛋白CI的降解率及降解方式的变化可能是噬菌体溶原/裂解途径决定的一种新机制。 展开更多
关键词 Λ噬菌体 化学主方程 蒙特卡洛模拟 双稳态
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化学反应交联的随机热力学效应
6
作者 涂鹃 罗久里 《四川大学学报(自然科学版)》 CAS CSCD 1996年第5期575-580,共6页
根据受噪声作用的有限化学反应系统的随机热力学理论,以存在膜平衡交联的简单反应模型为例,建立了交联体系的有效主方程及有效随机熵平衡方程,进而阐释了这类体系中有效熵产生的统计内涵,初步揭示出内涨落和来自化学反应交联的外噪... 根据受噪声作用的有限化学反应系统的随机热力学理论,以存在膜平衡交联的简单反应模型为例,建立了交联体系的有效主方程及有效随机熵平衡方程,进而阐释了这类体系中有效熵产生的统计内涵,初步揭示出内涨落和来自化学反应交联的外噪声的随机热力学效应.并通过对宏观扰动的随机模拟。 展开更多
关键词 化学反应交联 噪声 涨落 随机热力学效应
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完整基因表达模型中的精确概率分布
7
作者 仇华海 周天寿 《中国科学:数学》 CSCD 北大核心 2017年第12期1863-1878,共16页
基因表达是细胞内部过程的中心环节,其建模与分析一直是人们关注的焦点.转录水平上的两类代表性基因表达模型(即构成式表达模型和爆发式表达模型)已经被广泛研究,特别是m RNA的分布已经解析地给出,但对于同时考虑转录和翻译的完整基因... 基因表达是细胞内部过程的中心环节,其建模与分析一直是人们关注的焦点.转录水平上的两类代表性基因表达模型(即构成式表达模型和爆发式表达模型)已经被广泛研究,特别是m RNA的分布已经解析地给出,但对于同时考虑转录和翻译的完整基因表达模型,如何解析地导出m RNA和蛋白质的分布以及它们的联合分布的问题至今未得到解决.本文应用作者自己发展起来的二项矩方法解决了此数学问题,尤其是给出了基因产物分布及有关统计量的解析表示.此外,本文还讨论了基因表达噪声的可调性. 展开更多
关键词 基因表达模型 化学主方程 概率分布 二项矩方法 噪声
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分子系统生物学的数学建模与分析
8
作者 周天寿 唐云 《数学建模及其应用》 2017年第1期1-12,共12页
本质上,分子系统生物学就是要研究分子水平上的各种层次网络,并整合这些网络信息为系统信息。广泛使用的化学主方程为研究生物分子网络提供了一个建模框架,但应用起来具有局限性;传统的矩封闭方法可以简化生物分子网络的研究,但并没有... 本质上,分子系统生物学就是要研究分子水平上的各种层次网络,并整合这些网络信息为系统信息。广泛使用的化学主方程为研究生物分子网络提供了一个建模框架,但应用起来具有局限性;传统的矩封闭方法可以简化生物分子网络的研究,但并没有解决反应物种的联合概率分布的重构问题。本文简单介绍了生物分子网络的数学建模与分析,特别地,对生化反应系统提出二项矩的分析方法,它与传统方法相比具有许多优势,如能够降低计算复杂度、方便联合概率分布的重构,甚至可用于非线性行为的线性逼近等。 展开更多
关键词 生化反应网络 化学主方程 二项矩方法 联合概率分布 生物噪声
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Stochastic equations for a self-regulating gene
9
作者 Martin Jansen 《International Journal of Biomathematics》 2017年第4期1-29,共29页
Expression of cellular genes is regulated by binding of transcription factors to their promoter, either activating or inhibiting transcription of a gene. Particularly interesting is the case when the expressed protein... Expression of cellular genes is regulated by binding of transcription factors to their promoter, either activating or inhibiting transcription of a gene. Particularly interesting is the case when the expressed protein regulates its own transcription. In this paper, the features of this self-regulating process are investigated. In the presented model here, the gene can be in two states. Either a protein is bound to its promoter or not. The steady state distributions of protein during and just before switching from one state to the next state are analyzed. Moreover, a powerful numerical method based on the corresponding master equation to compute the protein distribution in the steady state is presented and compared to an already-existing method. Additionally the special case of self-regulation, in which protein can only be produced, if one of these proteins is bound to the promoter region, is analyzed. Furthermore, a self-regulating gene is compared to a similar gene, which also has two states and produces the same amount of proteins but is not regulated by its protein-product. 展开更多
关键词 Gene expression chemical reaction network activated gene gene regulatorynetworks master equation.
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