Stochastic analysis of bistability in coherent mixed feedback loops combining transcriptional and post-transcriptional regulations
结合转录和转录后调节的混合反馈环在细胞调控网络中是常见的。它们由两个基因组成，编码一个转录因子和一个小的非编码RNA（sRNA），它们相互调节彼此的表达。我们提出了一个理论和数值研究这种类型的相干混合反馈回路，在这两个法规是负面的。在合适的条件下，这些反馈环预计将表现出双稳态，即两个稳定状态，一个由转录阻遏物主导，另一个由sRNA主导。我们使用基于速率方程模型的确定性方法，以确定发生双稳态的参数范围。然而，确定性模型没有考虑到量子态的有限寿命以及它们之间自发的、涨落驱动的跃迁。因此，我们使用随机方法来计算这两个状态的平均寿命。据发现，这些寿命强烈依赖于速率系数，如转录抑制因子和sRNA的转录速率。特别是，我们表明，该系统在sRNA占主导地位的状态下花费的时间的分数如下的单调递减的sigmoid函数的转录抑制因子的转录率。这些结果的生物相关性进行了讨论的背景下，这种混合的反馈回路在{ \it大肠杆菌}。
2014-12-02 physics.bio-ph q-bio.MN
MicroRNAs preferentially target the genes with high transcriptional regulation complexity
近年来，microRNA（miRNAs）已成为一类重要的基因调控因子，在转录后水平负调控动物基因组中约1/3的基因表达。然而，目前还不清楚为什么有些基因受到miRNA的调控，而另一些则不受，即动物基因组中miRNA调控的原理是什么。本研究系统地分析了转录因子与miRNA在基因调控中的关系。我们发现具有更多TF-结合位点的基因具有更高的被miRNA靶向的概率，并且平均具有更多的miRNA-结合位点。这一观察结果表明，具有较高顺式调控复杂性的基因在转录水平上更协调地受到TF的调控，而在转录后水平上受到miRNA的调控。这是对基因表达协调调控机制的一个潜在的新发现。基因本体分析进一步证明这种协调调控在发育基因中更为普遍。
2006-12-30 q-bio.GN q-bio.MN
Robustness of Transcriptional Regulation in Yeast-like Model Boolean Networks
我们研究了在同步和确定性更新的布尔网络模型的框架内，在酵母酿酒酵母基因表达的转录调控的动力学特性。通过一个动态的决定子网络，我们探讨的稳健性的转录调控作为布尔函数的类型的函数中使用的模型，模仿调控剂对基因的转录水平的影响。我们将实际酵母网络的结果与两个不同的模型网络的结果进行比较，一个模型网络的入度分布与酵母相似，其他情况下是随机的，另一个是由于Balcan等人，其中酵母网络的全局拓扑被忠实地再现。令人惊讶的是，我们发现第一组模型网络更好地再现了实际酵母网络的结果，尽管Balcan等人的模型网络在结构上与酵母更相似。
2009-03-06 q-bio.MN
On The Reconstruction of Interaction Networks with Applications to Transcriptional Regulation
介绍了一种新的重建相互作用网络的信息论方法。我们证明了该方法对某些网络是精确的。对大型合成转录调控网络的性能测试产生了非常令人鼓舞的结果。
2005-09-18 q-bio.GN q-bio.MN q-bio.QM
Diverse spatial expression patterns emerge from common transcription bursting kinetics
在早期发育中，转录调控导致精确定位和高度可重复的表达模式，指定细胞身份。转录是一个基本的嘈杂的分子过程，如何调节以实现可靠的胚胎模式仍然不清楚。特别是，目前还不知道基因特异性调控机制如何影响转录的动力学速率，以及是否有共同的，全球性的特征，在整个遗传网络管理这些速率。在这里，我们测量新生的转录活性的差距基因网络的早期果蝇胚胎和表征的变化，在整个表达边界的绝对活性水平。我们表明，边界形成遵循一个共同的转录原则：一个单一的控制参数决定了转录活性的分布，无论基因的身份，边界位置，或增强子启动子架构。通过采用一个最低限度的转录模型，我们推断这些模式化基因的转录爆发的动力学速率，我们发现，关键的调控参数是一个基因处于活跃转录状态的时间分数，而Pol II加载的速率似乎是全局保守的。这些结果指出，一个普遍的简单性的基础上，显然复杂的转录过程负责早期胚胎的模式，并指出一条道路，在转录调控的一般规则。
2017-12-21 q-bio.MN q-bio.SC
Stochastic proofreading mechanism alleviates crosstalk in transcriptional regulation
基因表达主要由转录因子蛋白（TF）和调控DNA序列之间的相互作用控制，这一过程可以通过调控的热力学模型很好地捕获。然而，这些模型忽略了调控串扰：非同源转录因子可以启动转录的可能性，对细胞具有潜在的灾难性影响。在这里，我们估计串扰的重要性，建议其避免强烈约束TF结合的平衡模型，并提出了一种替代的非平衡方案，实现动力学校对，以抑制错误的启动。该提议与观察到的转录装置的共价修饰一致，并且将预测基因表达中的噪声增加作为改善特异性的折衷。使用信息理论，我们量化这种权衡，找到最佳校对架构时，他们的平衡同行的青睐。
2015-04-22 q-bio.MN
Statistical analysis of the spatial distribution of operons in the transcriptional regulation network of Escherichia coli
我们对大肠杆菌转录调控网络中操纵子的空间分布进行了统计分析。分析表明，相互调节的操纵子和共同调节的操纵子往往在基因组上彼此相邻。此外，这些操纵子对倾向于在不同的方向上转录。操纵子的这种空间排列允许上游调控区相互干扰。这提供了额外的调节控制，如前馈回路的平均场分析所示。我们的研究结果表明，调节控制可以提供一个选择压力，驱动操纵子在进化过程中一起。
2003-10-23 q-bio.GN q-bio.MN
Fundamentally different strategies for transcriptional regulation are revealed by information-theoretical analysis of binding motifs
为了调节特定的基因，转录因子（TF）需要结合特定的基因组位置。在约10^6-10^9个诱饵位点的存在下，这个基因组地址是如何指定的？我们对319个已知TF结合基序的分析清楚地表明，原核生物和真核生物使用截然不同的策略将TF靶向特定的基因组位置;真核生物TF表现出广泛的非功能性结合，并需要在调控区域中聚集位点以实现特异性。
2009-01-21 q-bio.BM q-bio.GN q-bio.MN
Origins of Binary Gene Expression in Post-transcriptional Regulation by MicroRNAs
微RNA介导的基因表达调节的特征在于一些区别于非调节和转录因子调节的基因表达的独特特征。最近，一个数学模型已被提出来描述microRNA的转录后调控的动力学。该模型很好地解释了单细胞实验中的观察结果。在本文中，我们引入了一些额外的功能到模型中，并考虑两个特定的情况。在第一种情况下，靶基因表达的转录调节中包括非合作性正反馈环。在第二种情况下，被认为是一个随机版本的原始模型，其中有基因的非活性和活性表达状态之间的随机转换。在第一种情况下，我们表明，双稳态是可能的参数制度，由于存在一个非线性的蛋白质衰减项的基因表达动态。在第二种情况下，我们推导出获得随机二进制基因表达的条件。我们发现，与未受调节的基因表达的情况相比，这种类型的基因表达在由microRNA调节的情况下更有利。与二元基因表达相关的理论预测是可实验检验的。
2012-10-18 q-bio.MN q-bio.QM
Invariant non-equilibrium dynamics of transcriptional regulation optimize information flow
本研究通过构建至少四状态且打破细致平衡的非平衡动力学模型，解释了转录调控中启动子切换相关时间的不变性，并证明其能最大化转录因子到基因表达的信息传输。
2025-07-16 physics.bio-ph q-bio.MN
The large-scale logico-chemical structure of a transcriptional regulation network
身份，对外部刺激的反应，以及生命系统的空间结构是分子生物学的中心议题。目前，它们在很大程度上被视为基因库和细胞调节机制之间相互作用的结果。在转录水平上，顺式调控区在转录因子和基因（包括其他转录因子）之间建立了一系列相互依赖性。这些“转录网络”太大，无法用详细的动力学模型进行全局处理。在本文中，我们描述了一种方法来解决这个问题，只专注于基因表达模式和信号整合功能之间的兼容性，讨论进行最简单的计算，布尔，实现的模型，并首次应用到实验数据集。
2005-02-15 cond-mat.dis-nn q-bio.MN
Transcriptional Regulation by the Numbers 2: Applications
随着关于基因表达和调控的实验数据量的增加，越来越需要定量模型来描述数据并将它们与不同的背景相关联。热力学模型综述在前面的文件提供了一个有用的框架，定量分析细菌的转录调控。我们回顾了一些良好的特点是由一个或两个物种的转录因子调控的细菌启动子，并适用于这些启动子的热力学框架。我们表明，该框架允许人们使用一些参数量化截然不同的基因表达形式。因此，它提供了一个紧凑的描述，可用于更高层次的研究，例如，基因网络的，而不需要调用每个组件的生化细节。此外，它可以用来产生可能的转录控制机制的假设。
2004-12-05 q-bio.MN q-bio.QM
The role of input noise in transcriptional regulation
即使在恒定的外部条件下，基因的表达水平也会波动。许多重点放在这个噪音的组件，是由于在转录和翻译的随机性，在这里，我们分析了噪音的作用与输入转录调控，随机到达和绑定的转录因子，其目标位点沿基因组。这种噪音设置了一个基本的物理限制的遗传控制的可靠性，并有明确的签名，但我们表明，这些很容易被实验的限制，甚至通过传统的方法绘制的方差与平均表达水平。我们认为，简单的，由转录和翻译占主导地位的噪音的全球模型是不一致的嵌入基因表达的网络中的监管相互作用。最近的实验在早期果蝇胚胎的转录控制分析表明，这些结果是定量一致的预测签名的输入噪声，我们讨论了需要测试的实验输入噪声的重要性更普遍。
2007-01-22 q-bio.CB q-bio.MN
Towards Multicellular Biological Deep Neural Nets Based on Transcriptional Regulation
建立在合成基因网络上的人工神经元具有从复杂的细胞决策到生物反应器调节的潜在应用。此外，由于自然系统的高信息吞吐量，它提供了一个有趣的候选人基于生物的超级计算和模拟模拟传统上棘手的问题。在本文中，我们提出了一个架构，用于构建多细胞神经网络和可编程非线性系统。我们设计了一个基于基因调节网络的人工神经元，并优化了其模块化动态。使用基因表达模型，我们模拟其从多个输入执行任意线性分类的能力。最后，我们构建了一个两层的神经网络来展示可扩展性和非线性决策边界，并讨论了未来的方向，利用不受控制的神经元在计算任务。
2020-01-30 cs.ET cs.NE q-bio.MN
DNA looping in gene regulation: from the assembly of macromolecular complexes to the control of transcriptional noise
由结合在远端DNA位点的蛋白质和蛋白质复合物形成的DNA环在许多细胞过程中起中心作用，例如转录、重组和复制。在这里，我们回顾了基本的热力学概念的大分子复合物的组装成环的DNA和这个过程中的基因调控的性能的影响。除了传统观点认为DNA成环是一种增加调控分子对其同源位点亲和力的机制之外，最近的发展表明DNA成环还可以导致细胞间变异性的抑制、转录噪音的控制以及按需激活合作相互作用。
2005-02-28 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
A stochastic spectral analysis of transcriptional regulatory cascades
在过去的十年里，我们对噪音在基因调控中的作用以及生物网络中信号传导的物理限制的理解取得了巨大的进步。在这里，我们介绍的谱方法计算的联合概率分布在所有物种的生物网络。谱方法利用生灭过程主方程的自然本征函数来求解网络中模块的联合分布，然后相互通知并便于计算整个联合分布。我们说明了在自然界中普遍存在的情况下的方法：线性调节级联。该方法的效率使得输入和调节参数的数值优化成为可能，揭示了例如，信息量最大的瀑布我们发现，对于阈值监管，一系列强有力的监管将单峰输入转换为双峰输出，多模态输入并不比双峰输入更具信息性，并且一系列向上监管优于一系列向下监管。我们预计，这种数值方法可能是有用的建模噪声在生物学中的各种小的网络拓扑结构。
2008-11-25 q-bio.MN
A quantitative comparison of sRNA-based and protein-based gene regulation
小的非编码RNA（sRNA）在原核生物中作为遗传调节因子发挥重要作用。sRNA通过与靶mRNA的互补配对在转录后发挥作用以调节蛋白质表达。我们使用定量的方法来比较和对比sRNA与传统的转录因子（TF），以更好地了解每种形式的调节的优点。特别是，我们计算的稳态行为，噪声特性，依赖于频率的增益（放大），和动态响应大输入信号的两种形式的监管。虽然平均稳态行为的sRNA调节蛋白表现出独特的可调阈值线性行为，我们的分析表明，转录爆发导致显着更高的内在噪音在基于sRNA的调节比TF为基础的调节在大范围的表达水平，并限制了能力的sRNA进行定量信号。尽管如此，我们发现sRNA在过滤输入信号中的噪声方面比TF更好。此外，我们发现sRNA允许细胞对输入信号的巨大变化做出快速反应。这些特征表明sRNA在允许细胞在不同状态之间快速而可靠地转变方面具有一定的优势。这一功能生态位与sRNA在原核生物应激反应和准发育网络中的广泛出现是一致的。
2008-09-02 q-bio.MN q-bio.SC
Comment on "Direct Targeting and Regulation of RNA Polymerase II by Cell Signaling Kinases"
该研究声称约117种人类激酶直接调控RNA聚合酶II的CTD，但其结论缺乏充分证据支持，与传统转录生物学存在矛盾。
2025-11-28 q-bio.CB q-bio.MN q-bio.SC
Transcriptional Regulation by the Numbers 1: Models
对基因调控和表达的研究经常用定量的术语来讨论。特别是，基因的表达是有规律的特点，关于多少，多快，何时何地。无论是讨论细菌中基因表达的水平，还是它在发育中的胚胎中的精确位置，这些实验的自然语言都是数字。这种定量数据需要定量模型。我们回顾了一类模型（“热力学模型”），利用统计力学计算的概率，RNA聚合酶是在适当的启动子。这提供了一个数学上精确的阐述的想法，激活剂是招募剂，增加的概率，RNA聚合酶将被发现在目标启动子。我们讨论了一个框架，它描述了阻遏物，激活剂，辅助分子和RNA聚合酶的相互作用，使用的概念，有效浓度，表达的功能，我们称之为“调节因子”。该分析最终表达了RNA聚合酶在感兴趣的启动子处结合的概率作为细胞中调节蛋白的数量的函数。在一个配套文件[1]中，这些想法被应用到几个案例研究中，这些案例研究说明了一般形式主义的使用。
2004-12-05 q-bio.MN q-bio.QM
Efficient Degradation and Expression Prioritization with Small RNAs
我们建立了一个简单的反馈系统模型，涉及小RNA（sRNA）分子的基础上的铁代谢系统在细菌E。coli中，并与H. pylori，它使用纯粹的转录调控。这揭示了基于sRNA的调控的几个独特特征，这些特征可以被细胞利用。首先，我们表明，sRNA调控可以保持一个较小的营业额的目标mRNA比转录调控，而不牺牲响应速度的外部冲击。其次，我们提出，一个单一的sRNA可以优先使用不同的目标mRNA。这表明sRNA调节在需要有效地共同调节许多mRNA的更复杂的系统中更常见。
2008-10-13 q-bio.MN
Analysis of the hierarchical structure of the B. subtilis transcriptional regulatory network
基因表达的转录调控是由相互作用的基因组成的复杂网络所协调的。越来越多的证据表明，这些转录调控网络（TRN）在细菌中有一个固有的层次结构，虽然这种类型的组织提供的设计原则和具体的优势尚未完全阐明。在这项研究中，我们专注于TRN的革兰氏阳性细菌枯草芽孢杆菌的层次结构，并进行了比较分析与TRN的革兰氏阴性细菌大肠杆菌。使用图论方法，我们组织了B的TRN中的转录因子（TF）和sigma因子。subtilis和E.大肠杆菌分为三个层次（顶部，中间和底部），并研究了它们之间的几个结构和功能特性。除了许多相似之处，我们还发现了具体的差异，解释了其中大部分与两种生物体中σ因子在分层水平上分布的变化。然后，我们研究了目标代谢基因的转录调节因子的控制，以表征三个不同的代谢子系统（catalysts，analysts和中央能量代谢）的差异调节。这些结果表明，我们在B。枯草杆菌代表了其TRN的有效组织，以实现对不同刺激的响应的灵活性。
2014-05-15 q-bio.MN
A combination of transcriptional and microRNA regulation improves the stability of the relative concentrations of target genes
众所周知，在合适的条件下，microRNA能够将其靶标的相对浓度微调到任何期望的值。我们发现，当其中一个靶点是调节其他靶点的转录因子（TF）时，这种功能特别有效。这种组合定义了一类新的前馈环（FFL），其中microRNA起着主调节器的作用。使用确定性和随机方程，我们表明，这些FFL确实不仅能够微调TF/靶标比率到任何所需的值作为miRNA浓度的函数，而且由于电路的特殊拓扑结构，确保该比率对随机波动的稳定性。这两种效应是由于直接的转录调控和由于TF和靶标竞争结合miRNA而引起的间接TF/靶标相互作用之间的相互作用（所谓的“海绵效应”）。然后，我们在人类调控网络中对这些FFL进行全基因组搜索，并显示它们具有非常特殊的富集模式。特别是，它们在TF及其目标必须精确地保持在相同浓度的所有情况下都强烈富集，尽管有环境噪声。作为一个例子，我们讨论的FFL涉及E2 F1作为转录因子，RB 1作为目标和miR-17家族作为主调节器。这些FFL确保了E2 F/RB比率的严格控制，这反过来又确保了静止细胞中从G 0/G1到S期转变的稳定性。
2013-07-12 q-bio.GN q-bio.MN
Stochastic single-gene auto-regulation
建立了一个详细的单基因自动调节的随机模型，并探讨了当mRNA动力学比蛋白质动力学快时以及在相反的状态下的解。该模型包括所有的随机性来源，是内在的自动调节过程，它认为转录和转录后调节。时间尺度分离允许推导蛋白质和mRNA的平衡分布的解析表达式。这些分布一般很好地描述了连续近似，这是用来讨论的蛋白质平衡分布的定性特征作为一个函数的生物参数在快速mRNA政权。的时间尺度近似的性能进行评估，通过与模拟的完整的随机系统的比较，并找到了一个很好的定量协议的参数值范围很广。我们发现，无论是单峰或双峰平衡蛋白质分布可以出现，我们讨论了与双峰的自动调节机制。
2012-04-07 physics.bio-ph q-bio.MN
The Energetics of Molecular Adaptation in Transcriptional Regulation
突变是进化探索蛋白质功能景观的关键机制。尽管我们有能力在实验上随意施加突变，但仍然很难将序列水平的扰动与系统水平的反应联系起来。在这里，我们提出了一个框架，集中在测量系统的自由能的变化，以连接个别突变的变构转录抑制因子的参数，管理其响应。我们发现突变的能量效应可以分为几类，它们具有作为诱导剂浓度的函数的特征曲线。我们实验测试这些诊断预测使用的特点是LacI阻遏大肠杆菌，探测几个突变的DNA结合和诱导剂结合域。我们发现，由于点突变的基因表达的变化可以通过修改描述野生型蛋白质的相应结构域的模型参数的子集来捕获。这些参数似乎是绝缘的，在DNA结合结构域中的突变只改变DNA亲和力，而在诱导剂结合结构域中的突变只改变变构参数。改变这些参数的子集以与理论预期一致的方式调整系统的自由能。最后，我们表明，诱导配置文件和由此产生的自由能与成对双突变体可以预测与定量的准确性给定的知识的单突变体，识别和定量上位相互作用提供了一种途径。
2019-05-15 q-bio.GN q-bio.MN q-bio.PE
Hill Function-based Model of Transcriptional Response: Impact of Nonspecific Binding and RNAP Interactions
该研究从 TF、RNAP 与 DNA 特异性及非特异性位点的反应出发推导转录倍数变化，阐明弱启动子下其与 Hill 函数的联系及参数生化含义。
2024-03-04 q-bio.MN
Oscillations in the expression of a self-repressed gene induced by a slow transcriptional dynamics
我们重新审视了一个基因的动态抑制其自身的蛋白质的情况下，转录速率不立即适应蛋白质浓度，但是一个动态变量。我们推导出持续振荡的外观分析标准，并发现它们需要退化机制的非线性比无限快的监管。确定性的预测也比较随机模拟这个最小的基因振荡器。
2009-01-12 q-bio.MN q-bio.QM
Information flow and optimization in transcriptional control
在最简单的转录调控观点中，基因的表达通过转录因子（TF）浓度的变化而开启或关闭。我们使用最近的数据噪音水平在基因表达表明，它应该是可能的传输远远不止一个监管位。实现这种最佳的信息容量将需要由细胞使用的TF浓度的动态范围、调节模块的输入/输出关系以及结合和转录的噪声水平满足一定的匹配关系。这个无参数的预测与最近在早期果蝇胚胎中Bicoid/Hunchback系统的实验非常一致，并且该系统实现了其理论最大信息传输的90%。
2007-05-02 q-bio.MN
Transcriptional regulation: Effects of promoter proximal pausing on speed, synchrony and reliability
最近的全基因组聚合酶结合试验表明，大部分未表达的基因具有稳定结合到其启动子的预组装RNA pol II转录起始复合物。一些这样的启动子近端暂停的基因在转录延伸而不是在起始时被调节;已经提出这种差异允许这些基因在细胞群体中更快地表达并实现更同步的表达，从而克服由低拷贝数因子引起的分子“噪音”。已经通过实验确定，在伸长时受到调节的基因倾向于表达得更快和更同步;然而，还没有直接表明是否是调节步骤{ \em本身}的变化导致了这种速度和同步性的增加。我们调查这个问题，提出并分析了一个连续时间马尔可夫链模型的聚合酶复合物组装调节在两个步骤之一：初始聚合酶与DNA的关联，或从暂停，转录状态释放。我们的分析表明，在很宽的物理参数范围内，增加的速度和同步性是伸长控制的功能性后果。此外，我们作出新的预测延长调节细胞之间的总转录本数量的一致控制的影响，并确定哪些元素在转录诱导途径是最敏感的分子噪音，因此可能是最进化的限制。我们的方法产生合理的计算工作量感兴趣的数量的符号表达式，并可用于探索更广泛的一类生化网络中的相互作用拓扑结构和分子噪声之间的相互作用。我们提供了实现这些方法的通用代码。
2011-03-11 math.PR q-bio.MN
Quantitative analysis of competition in post-transcriptional regulation reveals a novel signature in target expression variation
当小RNA加载到Argonaute蛋白上时，它们可以形成RNA诱导的沉默复合物（RISC），介导RNA干扰。RISC形成依赖于Argonaute蛋白和RISC加载因子的共享库，因此易受小RNA之间竞争加载的影响。我们提出了一个数学模型，旨在了解小RNA的PTR资源的竞争如何影响靶基因的阻遏。我们讨论了小RNA活性受到RISC形成、RISC降解和Argonaute可用性的限制。总之，这些观察结果解释了实验中遇到的PTR饱和效应。我们发现，RISC加载的不同竞争条件导致PTR活性的不同签名也由RISC再循环发生的量决定。特别是，我们发现小RNA在RISC形成方面效率较低，使用较少的PTR途径资源，可以在低RISC循环范围内与其更有效的对应物一样好地执行。此外，我们预测了一个新的签名的PTR的目标表达水平。在低RISC加载效率和高RISC再循环的条件下，靶水平的变化随靶转录速率线性增加。此外，我们表明RISC循环决定了Argonaute稀缺条件对靶表达变异的影响。我们的观察一起提供了一个框架的预测，可以用来从实验数据推断的特定特征的潜在PTR活动。
2013-01-16 q-bio.MN q-bio.QM
Noise Processing by MicroRNA-Mediated Circuits: the Incoherent Feed-Forward Loop, Revisited
在高等真核生物中，基因表达的内在随机性通常通过稳定输出层（最显著的是蛋白质水平）的转录后调节通道来减轻。在遗传调控网络的特定基序中发现了小的非编码RNA（miRNAs），这导致将噪声缓冲鉴定为它们在调控中发挥的可能的关键功能。最近的体外和计算机研究证实了这一假设。然而，还已知miRNA介导的噪音降低受到简单拓扑结构中的转录爆发的阻碍。在这里，使用随机模拟验证的分析计算的基础上van Kampen的扩展，我们重新审视的miRNA介导的非相干前馈环（IFFL），一个小模块，是广泛存在于高等真核生物的基因调控网络的噪声缓冲能力，以占调节基因的转录活性的影响。我们表明，爆裂大大改变电路的能力，以控制静态蛋白质噪声。通过与其他调控结构的比较，我们发现，直接转录调控显着优于IFFL在广泛的动力学参数。这表明，在脉动输入下，在表征调节元件的性能方面，静态降噪可能不如噪声和信息处理的动态方面重要。
2016-04-11 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.MN
Two distinct logical types of network control in gene expression profiles
在细菌等单细胞生物中，在一种环境中有益的相同获得性突变在另一种环境中可能是限制性的。然而，不断发展的大肠杆菌种群在适应方面表现出显着的灵活性。维持遗传灵活性的机制仍不清楚。在大肠在大肠杆菌中，基因表达的转录调控既涉及以高亲和力结合特定DNA位点的专用调节因子，也涉及全局调节因子-细菌类色体的丰富DNA结构蛋白结合多个低亲和力位点，从而调节DNA的超螺旋密度。第一种形式的转录调控主要是成对的和特定的，代表数字控制，而第二种形式是（在强度和分布）连续的，代表模拟控制。在这里，我们看看来自显着的基因表达变化的两种形式的控制下的有效网络的属性，并发现在一种类型的控制（例如，由突变引起的全局DNA结构因子）的限制，另一种类型可以补偿受损的调节。全球监管机构的突变显着增强数字控制;在全球DNA架构蛋白质的存在下，监管主要是模拟类型，耦合空间相邻的基因组位点;我们的数据表明，两种逻辑上不同类型的控制相互平衡。通过揭示两种不同的逻辑类型的控制，我们的方法提供了基本的见解转录调控的组织原则和缓冲遗传灵活性的机制。我们预计，区分逻辑控制类型的一般概念将适用于许多复杂的生物网络。
2007-09-20 q-bio.GN q-bio.MN
Systems Biophysics of Gene Expression
基因表达是任何生命形式的核心过程。它涉及多个时间和功能尺度，从特定的蛋白质-DNA相互作用延伸到响应细胞内和细胞外变化的多个基因的协调调节。这种规模的多样性对传统方法提出了根本性的挑战，即使是最简单的基因表达系统也无法完全理解。计算系统生物物理学的最新进展为可靠地将生物物理过程的分子细节整合到系统行为中提供了有希望的途径。在这里，我们回顾了基因调控作为一个系统的生物物理过程，从特定的蛋白质-DNA相互作用的组合组装的核蛋白复合物的描述的最新进展。现在有基本的机制理解的启动子控制的多个，本地和远端，DNA结合位点的转录因子可以主动控制转录噪音，细胞间的变异性，和其他性质的基因调控，包括精确性和灵活性的转录反应。
2013-07-03 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Accurate prediction of gene expression by integration of DNA sequence statistics with detailed modeling of transcription regulation
基因调控涉及从特异性蛋白质-DNA相互作用到核蛋白复合物的组合装配的事件的层次结构。DNA序列对这些过程的影响通常是基于其与单结构域结合自由能的定量联系或基于结合不同DNA基序以在基因组尺度上预测基因表达趋势的经验规则来研究的。然而，在数量上连接这两个极端的中间点方法在很大程度上仍未得到探索。在这里，我们提供了一个综合的方法来准确预测基因表达的统计序列信息结合详细的生物物理模型的转录调控多域结合多个DNA位点。对于典型的乳糖操纵子的调节，这种方法预测在0.3倍的准确度内转录活性超过10，000倍的范围从DNA序列统计不同的细胞内条件。
2010-12-16 cond-mat.stat-mech cs.CE physics.bio-ph
Quantifying the noise in bursty gene expression under regulation by small RNAs
基因表达是生命系统的基本过程。小分子RNA（small RNAs，sRNAs）是广泛观察到的基因表达的全局调节因子。这种调节过程中固有的非线性以及信使RNA（mRNA）、sRNA和蛋白质的突发性产生使得这种随机过程的精确解变得棘手。当量化蛋白质噪声水平时尤其如此，这对多个细胞过程有很大影响。在这里，我们提出了一个近似的，但相当准确的解决方案的基因表达噪音与罕见的突发和强烈的调节sRNA。该解析解使我们能够更好地分析蛋白质水平的噪声和随机偏差。我们发现这种调节放大了噪音，降低了蛋白质水平。调节中的随机性产生的蛋白质比从系统中去除随机性产生的蛋白质多。sRNA水平对噪声和随机偏差之间的关系是最重要的。这些结果为基因表达的更一般性研究提供了分析工具，并加强了我们对控制基因表达过程中转录后调控的定量理解。
2021-10-10 q-bio.MN
Extending the dynamic range of transcription factor action by translational regulation
基因表达调控的关键步骤是转录因子（TF）蛋白与DNA调控位点的结合。但是转录因子在纳摩尔浓度下起作用，由于这些分子随机到达它们的结合位点而产生的噪音会严重限制调节的精确性。最近关于通过调控网络优化信息流的工作表明，浓度动态范围的低端根本无法接近，被这种噪音的影响所淹没。受同源结构域蛋白质（如果蝇胚胎中的母体形态原Bicoid）行为的启发，我们提出了一个方案，其中转录因子也充当间接翻译调节因子，与其他转录因子的mRNA结合。直觉上，每个mRNA分子作为TF浓度的独立传感器，并且对这些多个传感器进行平均可以降低噪声。我们通过这个新的方案分析信息流，并确定条件下，它优于直接转录调控。我们的研究结果表明，同源结构域蛋白质的双重作用不仅仅是一个历史的偶然事件，而是解决了基因表达调控中的一个关键物理问题。
2015-07-09 q-bio.MN
Genome-wide discovery of modulators of transcriptional interactions in human B lymphocytes
细胞中的转录相互作用受到多种机制的调节，这些机制阻止它们表现为转录因子与其靶标之间的纯成对相互作用。其中包括通过磷酸化和乙酰化激活转录因子，与一种或多种辅因子形成活性复合物，以及mRNA/蛋白质降解和稳定化过程。本文提出了第一步系统的，全基因组的计算推理的基因，在转录后水平上调节特定的转录因子的相互作用。该方法使用基于转录因子与其每个候选靶之间的互信息变化的统计学检验，条件是第三基因的表达。该方法首先在合成网络模型上进行了验证，然后在哺乳动物细胞系统中进行了测试。通过分析254个正常和肿瘤相关的人B淋巴细胞的微阵列表达谱，我们研究了MYC原癌基因的转录后调节因子，MYC原癌基因是参与肿瘤发生的重要转录因子。我们的方法发现了一组100个假定的调节基因，负责调节MYC及其靶点之间的205个调节关系。该组是显着丰富的分子与其作为细胞相互作用的调节剂的活动一致的功能，概括了既定的MYC调控途径，并提供了一个显着的库的MYC功能的新的监管机构。该方法具有广泛的适用性，并可用于发现任何其他转录因子的调节剂，只要有足够的表达谱数据。
2006-03-02 q-bio.GN q-bio.MN q-bio.QM
Gene clusters reflecting macrodomain structure respond to nucleoid perturbations
聚焦于DNA桥接类核蛋白Fis和H-NS，并整合几个独立的实验和生物信息学数据来源，我们研究染色体空间组织和全球转录调控之间的联系。通过一种新的多尺度空间聚集分析，我们发现存在的连续簇的核苷酸扰动敏感基因沿基因组，其表达的拓扑DNA状态和核苷酸成形蛋白质占用的组合的影响。这些簇与基因组的宏域结构相关性很好。其中最重要的对称地躺在边缘的ter宏域，并涉及所有的鞭毛和趋化性机械，除了生物膜形成的关键调节剂，这表明由类核蛋白的染色体的物理状态的调节中起着重要的作用，在协调转录反应，导致之间的切换能动性和生物膜的生活方式。
2010-11-04 q-bio.GN q-bio.MN q-bio.QM
The role of master regulators in gene regulatory networks
基因调控网络对内在和外在的扰动呈现出多种多样的动力学响应。可以说，这种协调反应中最重要的一种是扩增级联反应，其中几个关键反应转录因子（称为主调节因子，MR）的激活导致大量的转录激活事件。这是因为主调节因子是控制其他转录因子分子表达的转录因子等。MR占据与转录动力学和基因调控网络控制相关的中心位置，并且经常参与诱导非平凡动力学的复杂反馈和前馈回路。最近的研究指出，肌细胞增强因子2C（MEF2C，也称为MADS盒转录增强因子2，多肽C）是参与原发性乳腺癌发病机制的主要调节因子之一。在这项工作中，我们进行了综合基因组分析的转录调控活性的MEF2C及其靶基因，以评估在何种程度上是这些分子诱导集体反应，导致基因表达失调和致癌。我们还分析了一些诱导的动态反应，特别是与转录爆发和非线性级联相关的反应，以评估它们在恶性表型和癌症中可能产生的影响。
2015-10-17 nlin.AO q-bio.MN
RNA-binding antiterminators: regulation of metabolism and pathogenicity in bacteria
本综述探讨了含有CAT和ANTAR结构域的RNA结合抗终止子蛋白的结构、作用机制及靶基因，揭示了其在细菌代谢和致病性调控中的关键作用，为理解细菌毒力及开发抗感染新策略提供重要依据。
2025-09-15 q-bio.MN
Bacterial Pathogenicity Regulation by RNA-binding Antiterminators
本文综述RNA结合抗终止因子在革兰氏阳性菌和阴性菌中的结构、机制及靶基因，探讨其在细菌致病性调控中的作用，为抗感染新策略提供潜在方向。
2024-10-22 q-bio.MN
Mathematical model for autoregulated miRNA biogenesis
MicroRNA是在转录后水平调节靶蛋白表达的小的非编码核苷酸序列。microRNA的生物合成是一个高度调控的多步骤途径。miRNA生物合成的调节可以由生物合成途径的组分直接引起或由其他调节剂间接引起。在本研究中，我们建立了一个详细的microRNA生物合成的数学模型来研究生物合成途径组分的调控作用。我们扩展了先前的模型，将DGCR 8合成的微处理器调节、输出蛋白介导的向细胞质的转运以及由成熟miRNA易位到细胞核中催化的正性自动调节结合起来。我们的模拟结果导致三个假设（i）在较高的Exportin蛋白水平下，生物发生对Dicer蛋白水平是稳健的;（ii）较高的miRNA转录物形成可能导致较低的RISC水平：在较低的Exportin蛋白水平下，最佳的miRNA形成需要前体miRNA和Dicer两者的最佳水平;（iii）成熟miRNA易位入核的正性自身调节可减少净功能性胞质miRNA。只要有可能，我们将这些结果与模型构建或校准中未使用的实验观察结果进行比较。
2020-01-31 q-bio.MN
Functionality Encoded In Topology? Discovering Macroscopic Regulatory Modules from Large-Scale Protein-DNA Interaction Networks
从大规模和高通量序列和实验数据中发现细胞系统功能蓝图的承诺是基于这样一种信念，即在其他生物学问题（例如DNA测序）中证明成功的相同自上而下的研究方法在推断更复杂的细胞内过程时也同样有效。本文的结果解决了这个基本问题的转录调控网络的特定背景下。尽管过去已经确定了简单的重复性调控基序，但由于连接结构的大小和复杂性，将这种网络细分为更大且可能相互连接的调控模块仍在研究中。具体而言，目前还不清楚是否可以通过单独分析整个网络拓扑结构的连接结构来识别功能良好的转录子网络。在本文中，我们表明，转录调控网络可以系统地划分成社区的成员是一贯的功能相关。我们将划分方法应用于酿酒酵母的转录调控网络;所得到的基因和转录调节子的群落可以与不同的功能单元相关联，例如氨基酸代谢、细胞周期调节、蛋白质生物合成和定位、DNA复制和维持、脂质代谢、应激反应等。此外，对群体间连接模式的观察为阐明所发现的调节模块之间的相互依赖性提供了有价值的工具。
2005-03-01 cond-mat.dis-nn q-bio.MN
The effects of transcription factor competition on gene regulation
转录因子（TF）分子通过易化扩散（DNA周围的3D扩散和1D随机游走的组合）易位。尽管在过去的40年里，这一机制受到了关注，但只有少数研究调查了细胞环境对易化扩散机制的影响，特别是与TF分子竞争DNA空间的“其他”DNA结合蛋白的影响。DNA上的分子拥挤可能会影响TF与其靶位点的结合率以及这些位点的稳态占有率，但当模型包括生物学相关参数（例如：TF丰度、TF对DNA的亲和力和TF对DNA的动力学）时，仍不清楚它如何影响全基因组范围内的搜索。我们进行了随机模拟的TF执行促进扩散机制，并考虑了各种丰度的同源和非同源TF。我们发现，对于在DNA上移动的障碍物和在DNA上固定的障碍物，在DNA上的生物相关拥挤水平的情况下，搜索时间的变化在统计上是不显著的。在DNA上滑动的非同源蛋白质的情况下，DNA上的分子拥挤总是导致统计学上显著较低的占用水平，这可能赋予全局控制基因活性水平的一般机制。当“其他”分子在DNA上固定不动时，我们发现了一种完全不同的行为，即：靶位点的占有率总是随着DNA上更高的分子拥挤而增加。最后，我们表明，拥挤的DNA可能会增加转录噪音，通过增加可变性的目标位点的占用时间。
2013-08-06 q-bio.MN q-bio.SC
Intrinsic noise in stochastic models of gene expression with molecular memory and bursting
基因表达中的内在噪声调节对于许多细胞功能是必不可少的。相应地，人们对理解基因表达的不同分子机制如何影响细胞群体中蛋白质水平的变化非常感兴趣。在这项工作中，我们分析了突发性基因表达的随机模型，认为一般的等待时间分布的到达和衰减的蛋白质。通过映射系统的模型分析在混沌理论，我们推导出的解析表达式的噪声在稳态蛋白质分布。衍生的结果扩展了以前的工作，包括任意概率分布的影响，代表分子记忆和爆裂的影响。获得的分析表达式提供了对转录、转录后和翻译后机制在控制基因表达中噪音中的作用的深入了解。
2011-01-11 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech q-bio.MN
Exact protein distributions for stochastic models of gene expression using partitioning of Poisson processes
基因表达的随机性引起遗传相同细胞群体中蛋白质水平的波动。这种波动会导致克隆群体中的表型变异，因此使用随机模型定量基因表达中的噪声具有相当大的兴趣。然而，获得精确的蛋白质分布的分析结果一直是一个棘手的任务，但最简单的模型。在这里，我们调用的泊松过程的分区属性开发的映射，显着简化了随机模型的分析基因表达。映射导致精确的蛋白质分布，使用基于启动子的调节模型中的mRNA分布的结果。使用这种方法，我们推导出精确的分析结果的稳态和时间依赖的分布的基本2阶段模型的基因表达。此外，我们展示了映射如何导致精确的蛋白质分布的基本模型，包括转录后和翻译后调控的影响的扩展。这项工作中开发的方法是广泛适用的，可以有助于定量了解随机性的基因表达及其调控。
2013-04-24 physics.bio-ph q-bio.MN
Serially-regulated biological networks fully realize a constrained set of functions
我们表明，生物网络与串行调节（每个节点调节最多一个其他节点）被约束到{ \it直接功能}，其中的环境输入对目标物种的影响的迹象只取决于从输入到目标的直接路径，即使有一个反馈回路允许多个相互作用途径。使用一组小的转录调控网络，已被实验研究的随机模型，我们进一步发现，所有的网络可以实现这一约束下的生化参数的合理设置所允许的所有功能。这突出了网络的功能多样性。
2008-05-13 q-bio.MN
The evolution of complex gene regulation by low specificity binding sites
转录因子结合位点在物种内和物种间的特异性各不相同。结合特异性对基因表达的进化具有强烈的影响，因为它决定了调控相互作用的获得和丧失的容易程度。尽管如此，我们对什么样的进化力量决定了结合位点的特异性的理解相对贫乏。在这里，我们解决这个问题，通过研究多个结合位点组成的调控模块。使用群体遗传模型，我们表明，更复杂的调控模块，由更多的结合位点，必须采用结合位点，是单独的特异性较低，相比不太复杂的调控模块。这种效应是非常普遍的，并且它与模块的调节逻辑无关。我们将这种现象归因于无法稳定选择，以保持在大型调控模块中的高度特异性位点。我们的分析有助于解释酵母调控网络中广泛的经验趋势：与具有较少调控因子的基因相比，具有较多转录调控因子的基因具有较少特异性结合位点的特征，并且其特异性的差异较小。同样，我们的研究结果也有助于解释众所周知的趋势，对较低的特异性，在转录因子结合位点的高等真核生物，执行复杂的监管任务，相比原核生物。
2012-11-30 q-bio.GN q-bio.MN q-bio.PE
Balancing noise and plasticity in eukaryotic gene expression
将表达随机性（噪声）的控制与表达变化的能力（可塑性）耦合可以改变基因功能并影响适应。许多因素，如转录重新启动，强染色质调控或基因组相邻组织，这种耦合的基础。然而，这些因素并不一定在所有基因中以相同的方式和强度结合。那么，我们是否可以确定以不同方式调节噪音和可塑性联系的替代架构？在这里，我们首先表明，强染色质调节，通常被视为耦合的来源，可以导致可塑性没有噪音。这种调节的性质也是相关的，可塑但无噪音的基因受到一般激活剂的影响，而可塑和有噪音的基因则受到更特异的抑制。相反，在转录控制较差的基因中，翻译效率将噪音与可塑性分开，这是一种与转录物长度相关的模式。这还意味着基因组邻近组织-作为修饰剂-似乎只在高度可塑性的基因中有效。在这个类中，我们确认双向启动子（biprosters）作为一种配置，能够减少耦合，减少噪音，但也揭示了一个重要的权衡，因为biprosters也降低可塑性。这最终提出了基因间距离和调制之间的矛盾，短基因间距离在不同的可塑性水平上与噪声相关和不相关。平衡不同类型的表达变异之间的耦合似乎是基因组调控和组织的潜在塑造力量。这反映在对具有不同功能约束的基因使用不同的控制策略。
2012-09-11 q-bio.GN q-bio.MN
Hierarchy and Feedback in the Evolution of the E. coli Transcription Network
大肠杆菌转录网络具有本质上的前馈结构，然而，在自我调节水平上具有丰富的反馈。在这里，我们研究这些属性是如何在进化过程中出现的。基于蛋白质结构域结构的基因复制的作用的评估表明，（i）转录自动调节主要是通过复制产生的，而（ii）预期的反馈环源于其初始的交叉调节强烈选择反对。这需要转录因子DNA结合位点及其各自的DNA顺式调节区的不同协同进化。此外，我们发现网络倾向于通过扩展现有的分层计算层来增长，而不是通过增加新的层。我们还认为，由于突变/选择新的转录因子/DNA结合相互作用的调控链接的重新布线似乎没有显着影响网络的全球层次结构，水平转移的基因主要是在底部添加，作为新的目标节点。这些研究结果突出了重要的进化作用的复制和选择性删除之间的串扰autoregulators在大肠杆菌的分层转录网络的出现。
2007-01-24 q-bio.MN q-bio.QM
Competitive binding of Activator-Repressor in Stochastic Gene Expression
本文通过解析理论研究激活子与抑制子竞争性结合启动子的遗传电路，揭示转录再起始对平均表达和噪声的异常影响，并证明竞争性电路借助降噪参数可将噪声降至泊松水平以下。
2025-06-04 physics.bio-ph q-bio.MN
A computational model for histone mark propagation reproduces the distribution of heterochromatin in different human cell types
染色质是由DNA和相关蛋白质组成的高度紧凑和动态的核结构。核小体是核小体的主要组织单位，由组蛋白八聚体和DNA包裹而成，组蛋白参与真核生物基因的调控，并携带许多可逆的翻译后修饰，控制DNA-蛋白质相互作用和染色质结合蛋白的募集。异染色质是基因组中转录不活跃的部分，它是密集堆积的，并且含有在Lys 9处甲基化的组蛋白H3（H3 K9 me）。H3 K9 me在核小体中沿着染色质中的DNA的传播被H3赖氨酸4（H3 K4 me）的甲基化和几个赖氨酸的乙酰化所拮抗，这与常染色质和活性基因有关。我们发现，相关的组蛋白修饰形式拮抗域上的粗尺度。这些组蛋白标记被认为是在DNA中不同的成核位点内起始的，并且双向传播。我们提出了一个简单的计算机模型，模拟异染色质在人类染色体中的分布。模拟结果与先前报道的两种不同人类细胞系的实验观察结果一致。我们复制了异染色质和常染色质之间不同类型的屏障，为它们的功能提供了一个统一的模型。研究了成核位置分布和传播速率变化的影响。前者主要发生在单个基因或基因组的（去）激活的目的，后者具有控制整个染色体的转录程序的能力。一般来说，基因转录的调控程序是由成核位点沿DNA串的分布控制的。
2013-09-27 q-bio.GN q-bio.MN
Specificity-determining DNA triplet code for positioning of human pre-initiation complex
转录因子仅通过特异的共有结合位点结合DNA的观点最近受到质疑。在Pugh和Venters的一项开创性研究中，没有鉴定出用于定位人前起始复合物（PIC）的特异性共有基序。在这里，我们发现，非共识，统计，DNA三联体代码提供了定位的人类PIC的特异性。特别是，我们揭示了一个高度非随机的，重复的核苷酸三联体的统计模式，与全基因组范围内的结合偏好的PIC芯片外测测量。我们分析了转录起始位点（TSS）附近的三联体富集和耗尽，并确定了对PIC-DNA非共有结合具有最强影响的三联体。我们的研究结果构成了一个新的设计原则，在人类基因组中的蛋白质-DNA识别的概念验证，这可以导致更好地理解转录调控的机制。
2016-11-23 q-bio.BM q-bio.GN q-bio.MN
