数理モデルを用いた人工遺伝子ネットワークの解析と設計・医療への応用に関する研究

利用数学模型分析和设计人工基因网络及医学应用研究

• 批准号: 02J08703
• 负责人: 小林 徹也
• 金额: $ 2.24万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2002
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2002 至 2004
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-02J08703/
• 关键词: 細胞内化学反応; ゆらぎ; 人工遺伝子ネットワーク; システムバイオロジー; 遺伝子ネットワーク; 揺らぎ; 確率性; 力学系; 数理モデル; 微分方程式; 遺伝子発現

前年度の研究結果を引き継ぎ、ネットワークの正確な挙動予測と信頼性の高い設計方法の確立に向け、分子の少数性に起因する細胞内化学反応のゆらぎを解析するための新しい数理的な手法の開発を行った。まず、前年度において発展させた確率ネットワーク解析の手法をさらに発展させ、手法をより数学的に完全な形での定式化し、その汎用性および厳密性を確立した。また、確率ネットワーク解析と深く関連するリアプノフ方程式を用いて、化学反応の化学量論的特性に注目した細胞内化学反応のゆらぎの解析を共同研究で行い、Journal of Theoretical Biologyに発表を行っている。さらに、このリアプノフ方程式に基づく手法を用いて、遺伝子発現における揺らぎが抑制されるメカニズムを解析し、そしてその機能的限界を共同研究において明らかにした。そして、この結果を元に人工遺伝子ネットワークにおけるゆらぎの効果的な抑制方法とその限界の提案を行っている。この結果はJournal of Theoretical Biologyへの掲載が決定している。これらの知見を包括した理論的結果を書籍"<一分子>生物学"(岩波書店、合原一幸・岡田康志編)および、また日本バイオインフォマテイクス学会第4回生物情報ネットワーク研究会招待講演(2004年12月16日、小林徹也・合原一幸、細胞内反応ネットワークにおける揺らぎの数理解析)において発表している。一方、確率ネットワーク解析の手法の改良と平行して、細胞内化学反応のゆらぎを評価するための新しい手法として、細胞増殖を含んだ非線形マスター方程式の提案とその解析も行い、その結果を国際会議50th NIBB Conference(2005/2/8-2/10、愛知県東岡崎市岡崎カンファレンスセンター)にて口頭発表している。

在上一年的研究结果中，我们开发了一种新的数学方法，用于分析由分子少数群体引起的细胞内化学反应波动，以便准确预测网络行为并建立可靠的设计方法。首先，我们进一步开发了上一年开发的随机网络分析方法，以更加数学和完整的形式制定了该方法，从而确立了其多功能性和严格性。此外，使用与随机网络分析密切相关的Lyapunov方程，该公司协作分析了针对化学反应的化学计量特性的细胞内化学反应的波动，并将其列在理论生物学杂志上。此外，使用基于Lyapunov方程的这种方法，我们分析了抑制基因表达波动的机制，并在一项联合研究中阐明了该基因的功能局限性。基于这些结果，我们提出了抑制人工基因网络波动及其局限性的有效方法。结果已决定发表在《理论生物学杂志》上。 He presents theoretical results that encompass these findings in his book "<Single Molecule> Biology" (eds. Iwanami Shoten, Aihara Kazuyuki, and Okada Yasushi) and in an invited lecture at the Japan Society of Bioinformatics' Society (December 16, 2004, Kobayashi Tetsuya and Aihara Kazuyuki, mathematical analysis of fluctuations in intracellular反应网络）。 Meanwhile, in parallel with the improvement of the method of stochastic network analysis, we proposed and analyzed a nonlinear master equation that includes cell proliferation as a new method for evaluating fluctuations in intracellular chemical reactions, and the results were presented orally at the 50th NIBB Conference (2005/2/8-2/10, Okazaki Conference Center, Higashiokazaki City, Aichi Prefecture).

项目成果

Tetsuya Kobayashi: "Modeling genetic switches with positive feedback loops"Journal of Theoretical Biology. Vol.221 Issue3. 379-399 (2003)

Tetsuya Kobayashi：“用正反馈环模拟基因开关”理论生物学杂志。

冨岡亮太, 小林徹也, 合原一幸, 木村英紀: "遺伝子発現の揺らぎの確率・ネットワーク解析 ロバストな遺伝子ネットワークの設計原理を目指して"数理科学. 489. 31-37 (2004)

Ryota Tomioka、Tetsuya Kobayashi、Kazuyuki Aihara、Hideki Kimura：“基因表达波动的概率和网络分析。以稳健基因网络的设计原则为目标”《数学科学》489. 31-37 (2004)。

Dynamics of gene regulatory networks with cell division cycle.

• DOI: 10.1103/physreve.70.011909
• 发表时间: 2004-07
• 期刊: Physical review. E, Statistical, nonlinear, and soft matter physics
• 作者: Luonan Chen;Ruiqi Wang;Tetsuya J. Kobayashi;K. Aihara

細胞内ネットワークの確率的ゆらぎとその数理的解析

细胞内网络的随机波动及其数学分析

• 发表时间: 2004
• 期刊: <一分子>生物学(合原一幸・岡田康志編)(岩波書店)
• 作者: 小林徹也;森下喜弘;冨岡亮太;合原一幸
• 通讯作者: 合原一幸