基因调控系统的非高斯随机动力学分析

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    11801192
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    22.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    A0303.动力系统与遍历论
  • 结题年份:
    2021
  • 批准年份:
    2018
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2019-01-01 至2021-12-31

项目摘要

Stochastic fluctuations play an important role in inducing phenotypic diversity in gene expression process. A large number of protein models have been developed for assumption of Gaussian distribution. However, the production of proteins occurs in an intermittent burst and heavy tail distribution which are suitable for non-Gaussian Levy noise. Due to lack of technology for non-Gaussian dynamics, the project have developed the deterministic quantities, the global stability and the stochastic bifurcation for non-Gaussian dynamics. These approaches can characterize transition behavior, and establish the index for global stability independent of linearization to quantify how stable the state is. The project will focus on developing a accurate numerical algorithm to solve the nonlocal elliptic equation with directional boundary condition defined by fractional Laplace operator, studying the sensitivity of parameters and relativity analysis of escape criterion for global stability on a genetic regulatory system. In this way, the developed stochastic dynamics will provide the new insights into non-Gaussian genetic regulatory systems.
基因表达过程中随机噪声是诱发表型多样性的重要因素,高斯噪声模拟蛋白质生成过程研究已有丰富的理论。然而实验表明蛋白质生成过程中表现出的随机跳跃以及“重尾”分布特性更适用于非高斯Levy噪声模拟。基因调控系统高斯动力学的现有理论不能直接用于非高斯的研究,本项目通过非高斯随机动力系统的确定性量化、全局稳定性以及随机分岔等理论工具,刻画非高斯Levy噪声影响下基因调控系统的转移行为,构建系统全局稳定性的量化指标,从而不依赖于线性化的方法充分地评估基因调控系统的稳定程度。基于由分数阶Laplace算子定义的具有逃逸方向性边值条件的非局部椭圆方程的数值计算,揭示全局稳定性对基因调控系统参数的敏感依赖性,分析全局稳定性和逃逸指标的相关性,为基因调控系统的非高斯随机动力学研究提供新方法和新工具。

结项摘要

随机动力系统是对随机因素影响下复杂系统的数学建模,能够描述一些确定性系统所不能描述的随机现象。本项目通过随机动力系统的确定性量化:平均首次逃逸时间,首次逃逸概率刻画了在非高斯Levy噪声影响下基因调控系统在多个亚稳态之间的迁移行为,将随机动力系统和非局部偏微分方程建立了联系,从而提出了一种研究非高斯Lévy过程驱动的随机动力系统状态间转移的新思路。基于非局部Fokker-Planck方程以及Onsager-Machlup作用泛函,构建了最有可能转移路径,用以度量非高斯随机基因调控系统状态的稳定性。这个理论为研究基因调控系统中“birst-like”事件,气候系统中突然气候突变等现象的发生机制提供理论依据。同时,通过最小化参数空间上的Hellinger测度的方法进行系统中的参数识别,为由数据驱动的随机动力系统的建模提供理论和技术的支持。.

项目成果

期刊论文数量(8)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Nonlocal Dynamics for Non‑Gaussian Systems Arising in Biophysical Modeling
生物物理建模中出现的非高斯系统的非局部动力学
  • DOI:
    10.1007/s42967-019-00046-5
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    Communications on Applied Mathematics and Computation
  • 影响因子:
    1.6
  • 作者:
    Chen Xiaoli;Duan Jinqiao
  • 通讯作者:
    Duan Jinqiao
Transitions between metastable states in a simplified model for the thermohaline circulation under random fluctuations
随机波动下温盐环流简化模型中亚稳态之间的转变
  • DOI:
    10.1016/j.amc.2019.124868
  • 发表时间:
    2019-04
  • 期刊:
    Applied Mathematics and Computation
  • 影响因子:
    4
  • 作者:
    Tesfay Daniel;Wei Pingyuan;Zheng Yayun;Duan Jinqiao;Kurths Juergen
  • 通讯作者:
    Kurths Juergen
On the abrupt change of the maximum likelihood state in a simplified stochastic thermohaline circulation system
简化随机温盐环流系统中最大似然状态的突变
  • DOI:
    10.1063/5.0037083
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    Chaos
  • 影响因子:
    2.9
  • 作者:
    Yang Fang;Sun Xu;Duan Jinqiao
  • 通讯作者:
    Duan Jinqiao
Detecting the maximum likelihood transition path from data of stochastic dynamical systems
从随机动力系统的数据中检测最大似然转移路径
  • DOI:
    10.1063/5.0012858
  • 发表时间:
    2020-11-01
  • 期刊:
    CHAOS
  • 影响因子:
    2.9
  • 作者:
    Dai, Min;Gao, Ting;Duan, Jinqiao
  • 通讯作者:
    Duan, Jinqiao
The maximum likelihood climate change for global warming under the influence of greenhouse effect and Levy noise
温室效应和Levy噪声影响下全球变暖的最大似然气候变化
  • DOI:
    10.1063/1.5129003
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    Chaos
  • 影响因子:
    2.9
  • 作者:
    Zheng Yayun;Yang Fang;Duan Jinqiao;Sun Xu;Fu Ling;Kurths Juergen
  • 通讯作者:
    Kurths Juergen

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其他文献

什么是随机动力系统
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2015
  • 期刊:
    数学建模及其应用
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    段金桥;郑雅允;白露;姜涛
  • 通讯作者:
    姜涛

其他文献

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

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          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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