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一致前馈环与反馈环耦合网络多稳态行为研究

李爱莎  
【摘要】:前馈环是生物网络中较常见的模体,它由X、Y、Z三种物质组成。前馈环包含两种作用,一种是X对Z的直接作用,另一种是X通过Y对Z的间接作用。若这两种作用都为激活或抑制时,称其为一致前馈环。根据X和Y对Z的输入方式是AND还是OR,一致前馈环又可分为“与”型和“或”型一致前馈环。网络中通过直接或间接方式调节自身的作用称为反馈作用,参与该作用的物质之间形成的回路即为反馈环,它的存在会使系统涌现出复杂的动力学行为,如多稳态。虽然研究者们针对前馈环和反馈环分别做了大量的研究,但是生物网络中存在很多前馈环和反馈环共同存在的实例,目前尚缺乏对它们动力学行为的研究。为了研究反馈环在一致前馈环产生多稳态中的作用,本文首先枚举了它们形成的729种拓扑结构并将其转换为微分方程模型,然后对模型参数进行随机抽样并求出方程平衡点的个数,从而得到每种拓扑结构产生多稳态的概率,最后对拓扑结构进行了聚类分析,计算了反馈作用方式间的联合概率以及条件概率。此外,针对产生多稳态概率最高的拓扑结构,进行了非线性动力学分析。结果表明:对于“与”型一致前馈环,Z自身的正反馈作用对提高系统产生多稳态概率至关重要;对于“或”型一致前馈环,X自身的正反馈作用对提高系统产生多稳态概率至关重要。本研究首次系统研究了一致前馈环与反馈环耦合网络产生多稳态行为的情况,揭示了该网络产生多稳态的重要因素,拓展了生物网络动力学模体方面的研究。


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