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
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
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
Deciphering gene regulation from gene expression dynamics using deep neural network
复杂的生物学功能是通过基因和蛋白质的相互作用来实现的。揭示功能背后的基因调控网络是生物学的中心主题之一。通常，它涉及广泛的遗传学，生物化学和分子生物学实验。在本文中，我们证明了大部分推理任务可以通过深度神经网络（DNN）来完成，DNN是机器学习或人工智能的一种形式。具体而言，DNN从基因表达的动态中学习。学习的DNN就像系统的精确模拟器，可以在其上进行计算机实验以揭示潜在的基因网络。我们证明了两个例子的方法：生化适应和果蝇胚胎发生的缺口基因图案。在第一个示例中，DNN可以成功地找到用于自适应的两个基本网络模体-负反馈和非相干前馈。在第二个更复杂的例子中，DNN可以准确地预测基本上所有突变体的行为。此外，它揭示的调节网络与从实验中推断的网络惊人地相似。在这样做的过程中，我们开发了破译隐藏在DNN“黑匣子”中的基因调控网络的方法。我们的可解释DNN方法应该在基因型-表型作图中具有广泛的应用。
2020-02-22 q-bio.MN q-bio.QM
Stochastic approach to molecular interactions and computational theory of metabolic and genetic regulations
配体与大分子特定位点的结合和解离是细胞内最基本的分子相互作用之一，体现了生物调控的计算过程。转录因子与基因操纵子之间的相互作用以及配体与变构酶的结合位点之间的相互作用是这种分子相互作用的典型例子。为了获得生物调控的一般数学框架，我们制定这些相互作用作为有限的马尔可夫过程，并建立了一个计算理论的大分子调控活动的基础上，主要是图形分析其状态转移图。主要贡献如下：（1）给出了Michaelis-Menten方程的随机解释。(2)详细平衡引入了\textit{probability flow}的概念。(3)一个随机类比的\textit{Wegscheider condition}给出有关的循环中的状态转移图。(4)一个简单的图形方法计算的配体的浓度方面的调节活性得到Wegscheider的情况下。
2006-12-07 q-bio.MN q-bio.QM
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
Inferring gene regulation dynamics from static snapshots of gene expression variability
本研究利用不同成熟时间双荧光报告因子的静态协同变异快照，推导相关性条件以识别基因反馈调控及细胞周期依赖转录。
2021-09-01 q-bio.MN q-bio.QM
A new framework for identifying combinatorial regulation of transcription factors: a case study of the yeast cell cycle
通过整合异质功能基因组数据集，我们已经开发了一个新的框架来检测基因表达的组合控制，其中包括估计转录因子活动使用奇异值分解方法和减少高维输入基因空间考虑基因簇的基因组属性。协同基因调控的预测可以通过高斯图模型或成对混合图模型来实现。在酵母细胞周期数据集上测试了所提出的框架：（1）54个已知的酵母细胞周期基因与9个细胞周期调节因子和（2）676个假定的酵母细胞周期基因与9个细胞周期调节因子。新的框架在推断TF-TF和TF-基因相互作用方面给出了有希望的结果。它还揭示了几个有趣的机制，如负相关的蛋白质相互作用和低亲和力的蛋白质-DNA相互作用，可能是重要的酵母细胞周期。新的框架可以很容易地扩展到研究其他高等真核生物。
2010-10-06 q-bio.MN q-bio.QM
High-gain nonlinear observer for simple genetic regulation process
高增益非线性观测器出现在非线性自动控制理论中，并在化工过程中被标准使用。我们在一个非常简单的单基因调控回路的背景下应用这种类型的分析。一般而言，观测器将基于解析微分方程的模型与系统的部分测量相结合，以估计非测量状态变量。我们使用一个最简单的观察者，Gauthier等人，它是原始系统的副本加上易于计算的校正项。为了说明这一过程，我们采用了一个生物模型，最近改编自古德温的旧书德容，其中一个玩的浓度的信使RNA编码给定的蛋白质，蛋白质本身，和一个单一的代谢物的动力学。使用观察者而不是代谢物，可以重建mRNA和蛋白质的未测量浓度
2007-07-16 q-bio.MN q-bio.QM
Applications of Little's Law to stochastic models of gene expression
基因表达的内在随机性可导致细胞群体中蛋白质水平的巨大变化。为了解释这种变异性，在基因表达的随机模型中提出了mRNA波动的不同来源（“泊松”和“电报”过程）。泊松和电报情景模型解释了蛋白质表达的“爆发”方面的蛋白质水平的噪声的实验观察。相应地，人们对建立基因表达一般随机模型的突发和稳态蛋白质分布之间的关系非常感兴趣。在这项工作中，我们解决这个问题，考虑随机模型之间的映射基因表达和问题的兴趣在遗传理论。通过应用一般定理，小的法律，我们推导出精确的关系，连接突发和稳态分布的方式与任意等待时间分布的mRNA和蛋白质的到达和降解的模型。导出的关系有影响的方法来量化的转录爆发的程度，从而区分不同来源的内在噪声在基因表达。为了说明这一点，我们考虑了一个模型的小RNA的蛋白质表达的突发调节。对于广泛的参数，我们推导出的平均蛋白质水平的分析表达式（随机模拟验证）的调节小RNA的水平不同。所获得的结果表明，转录爆发的程度，原则上，可以确定从平均稳态蛋白质水平的一般随机模型的基因表达的变化。
2010-07-12 physics.bio-ph q-bio.MN
Influence of gene copy number on self-regulated gene expression
使用一个解析可解的随机模型，我们研究了一个简单的遗传电路的自我调节基因的多个副本组成的属性。我们分析了基因拷贝数的变化和改变自动调节强度的突变如何影响蛋白质浓度的稳态分布。我们预测，一个报告分析，一个实验方法，其中的外在噪音水平是从一个单一的和重复的报告基因的表达方差的比较推断，可能会给一个不正确的估计时，适用于自我调节基因的外在噪音的贡献。我们还表明，一个不完美的复制的自激活基因，改变的调节强度的副本之一，可能会导致这些基因的杂交，二元+分级响应外部信号。重复前后平均基因表达的相对变化的分析表明，基因重复的进化积累可能非平凡地取决于给定基因的固有噪声，量化的最大平均频率的突发。此外，我们发现，基因表达噪声对基因拷贝数和自动调节强度的依赖性可能在性质上有所不同，例如，在单调性，这取决于噪声是否由Fano因子或变异系数测量。因此，将基因表达噪声和进化优化联系起来的基于实验的假设可能是模糊的，因为它们取决于选择来量化噪声的特定函数。
2016-08-16 q-bio.MN
Steady-state joint distribution for first-order stochastic reaction kinetics
虽然随机化学反应网络的边缘分布的解析解已经得到了广泛的研究，但其联合分布，即高维化学主方程的解，却很少受到关注。在这里，我们开发了一种新的方法来计算精确的联合分布的一类一阶随机反应系统在稳态条件下。我们的方法的有效性进行了验证，将其应用到四个基因表达模型的生物意义，包括模型与2A肽，新生mRNA，基因调控，翻译爆发，和可变剪接。
2021-11-13 q-bio.MN
Stochastic Modeling and Statistical Inference of Intrinsic Noise in Gene Regulation System via Chemical Master Equation
内在噪声是细胞内mRNA和蛋白质的随机波动，已被观察到并证明在细胞系统中发挥重要作用。随着单细胞水平测量技术的发展，对本征噪声的研究越来越受到学者们的关注。自1940年以来，化学主方程（CME）一直被用来模拟复杂的化学和生物系统的演化，并经常被用作基因调控系统中内在噪声模型的标准工具。基于CME的基因调控模型能够描述基因调控系统的离散性、随机性和动力学特性，并能在单细胞水平上对观测数据进行因果和物理解释。尽管如此，CME的复杂性也给研究者提出实用的建模和推理框架带来了严峻的挑战。本文综述了在CME模型框架下，基因调控系统内在噪声的建模和推理的研究进展。我们将探讨在研究基因调控系统中构建CME模型的原则，并讨论CME的常用近似。然后，我们将研究模拟模拟方法以及解析和数值方法，可以用来获得解决方案的CME模式。最后，我们将总结现有的统计方法，可以用来推断CME模型中的未知参数或结构，利用单细胞水平的基因表达数据。
2017-11-11 q-bio.MN q-bio.QM stat.ME
Exact distributions for stochastic models of gene expression with arbitrary regulation
基因表达的随机性可导致基因产物水平的波动。最近的实验表明反馈调节在控制基因表达中的噪声中起着重要的作用。定量地了解反馈对基因表达的影响需要分析相应的随机模型。然而，对于具有一般调控函数的基因表达随机模型，至今还没有给出基因产物分布的精确解析结果。在这里，我们提出了一种技术来解决一个广义的ON-OFF模型的随机基因表达与任意（正或负，线性或非线性）的反馈，包括转录后或翻译后调节。所获得的结果，概括了先前获得的结果，提供了新的见解反馈调节基因表达的作用。所提出的分析框架可以很容易地扩展到更复杂的随机基因表达模型的分析。
2019-12-10 q-bio.MN
Functional Characteristics of Gene Expression Motifs with Single and Dual Strategies of Regulation
转录因子的转录调控和microRNA的转录后调控构成了基因表达调控的两种主要模式。虽然基因表达基序仅包含转录调控已被很好地研究，但具有双重调控策略的基序的动力学，即，转录和转录后调节都没有被广泛研究。在本文中，我们探讨了动态的四个基因基序与双重策略的调节基因表达。一些功能特性进行了比较，与一个两个基因的基序，遗传切换，只采用转录调控。这两个图案定义的正反馈回路的双稳态和滞后的潜力。四基因基序，相反的遗传切换，被发现在基因表达的调节中，即使在没有协同性的情况下，也表现出双稳态。四基因基序进一步表现出一种新的动力学特征，其中两个区域的单稳态线性阈值响应分开的区域的双稳态数字响应。使用线性噪声近似（LNA），我们进一步表明，变异系数（噪声的措施），与蛋白质水平在稳定状态下，具有较低的幅度的情况下的四个基因基序相比的情况下的遗传切换。接下来，我们从信息论的角度比较转录与转录后调控。我们集中在两个基因表达基序，基序1与转录调控和基序2与转录后调控。我们发现，在这两个图案，图案2具有更大的容量，为扩展范围的参数值的信息传输。
2016-05-11 q-bio.CB q-bio.MN
A system-wide network reconstruction of gene regulation and metabolism in Escherichia coli
基因组尺度的代谢模型已经成为研究代谢原理的基本工具。然而，代谢的特征不仅在于潜在的生化反应和催化酶，而且还受到调节事件的影响。自从Covert和同事以及Shlomi和同事的开创性工作以来，人们一直在争论调节和代谢如何协同表征连贯的细胞状态。第一种方法从代谢模型开始，通过调节催化酶的编码基因来扩展代谢模型。到目前为止，生物信息学数据库原则上允许解决在系统范围内整合调节和代谢的挑战。从几个数据库收集信息，我们提供了一个网络表示的集成基因调控和代谢系统的大肠杆菌，包括主要的细胞过程，从代谢过程通过蛋白质修饰的各种监管事件。除了转录调控，我们还考虑到翻译，酶活性和反应的调节。我们的网络模型提供了新的拓扑特征的系统组件的基础上，他们在网络中的位置。我们发现，网络特征表明，表示的集成系统作为三个网络域（监管，代谢和接口网络），而不是两个。这种新的三域表示揭示了具有已知高功能相关性的组件的结构中心性。这个集成的网络可以作为一个平台，了解相干的细胞状态作为活跃的子网络，并阐明代谢和基因调控之间的交叉效应。
2018-03-13 q-bio.MN
Post-transcriptional regulation of noise in protein distributions during gene expression
基因表达的内在随机性可导致整个细胞群体中蛋白质水平的大的变异性。蛋白质分布的变异性（或噪声）可以通过基因调控的细胞机制来调节;特别是，人们对理解转录后调控的作用有相当大的兴趣。为了解决这个问题，我们提出并分析了一个随机模型的转录后调控的基因表达。该模型的解析解提供了深入了解不同的转录后调控机制对蛋白质分布中的噪声的影响。所获得的结果还表明如何在基因表达的内在噪声的不同来源，可以根据观察到的调节蛋白质分布进行区分。
2010-06-21 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
Coherent organization in gene regulation: a study on six networks
生物网络中进化优化的结构和动力学指纹仍然不清楚。在这里，我们分析了负责调节细胞周期和细胞分化在三种生物体或细胞类型的遗传调控网络的动态，并表明它们遵守一个版本的赫布规则，我们称之为一致性。更确切地说，我们发现，同时表达的基因与一个共同的目标是不太可能冲突的吸引力的监管动态。然后，我们调查的依赖性的连贯性的结构参数，如输入每个节点的平均数和激活/阻遏的相互作用比，以及动态确定的数量，如盆地的大小和表达的基因的数量。
2015-07-29 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
Landscapes and nonequilibrium fluctuations of eukaryotic gene regulation
本研究使用描述非平衡涨落景观和概率流的随机模型，考察了染色质状态与产物蛋白浓度变化的不同时间尺度对真核生物基因调控的影响，发现非绝热染色质状态转变显著影响基因调控动力学，并揭示了其与熵产生、滞后现象及基因涨落调节的关系。
2025-06-28 physics.bio-ph q-bio.MN
A quantitative study of the benefits of co-regulation using the spoIIA operon as an example
大多数基因的分布不是随机的，功能相关的基因常常成簇出现。已经提出了几种理论来解释操纵子在细菌中的出现和持续存在。对基因组数据的仔细分析支持共调控模型，其中基因组织成操纵子是由协调的基因表达和调控的益处驱动的。然而，共同表达增加个体的适应性以确保操纵子的形成和维持的直接证据仍然缺乏。在此，采用先前描述的在枯草芽孢杆菌中孢子形成期间控制转录因子sigmaF的网络的定量模型来量化由孢子形成基因到spoIIA操纵子中的组织和由翻译偶联产生的益处。该分析表明，操纵子组织与翻译偶联是重要的，因为基因表达的固有随机性质，其在不存在共调节的情况下使蛋白质浓度之间的比率偏斜。不同形式的基因调控对适应性和存活的预测影响与已发表的孢子形成效率在数量上一致。
2006-07-05 q-bio.MN q-bio.PE
Spontaneous Self-Assembly of Transcription Factor Based Gene Regulation Networks
我们使用一个基于内容的网络模型来模拟基于转录因子的酵母调控网络，该模型模拟了基因调控区域上结合基序的识别。因此，一旦提供酵母基因组的参数，特别是启动子区内“结合序列”编码的信息的分布作为输入，我们就能够忠实地再现酵母基因调控网络的许多拓扑特征。通过比较模型网络与酵母的k-核心分析，确定了启动子区域的长度分布。我们的研究结果有力地指出，所观察到的拓扑特征是通用的网络通过随机字符串之间的序列匹配服从一定的长度分布的可能性。
2006-05-27 q-bio.MN
Stochastic modeling of regulation of gene expression by multiple small RNAs
大量的新研究强调了小RNA（sRNA）在不同过程中的关键作用，如群体感应和细胞对压力的反应。控制这些过程的途径通常具有由主调节蛋白组成的中心基序，所述主调节蛋白的表达由多个sRNA控制。然而，多个sRNA对单个靶基因的随机基因表达的调节目前还没有很好的理解。为了解决这个问题，我们分析了一个随机模型的多个sRNA的基因表达的调节。对于这个模型，我们得到精确的分析结果的调节蛋白质分布，包括紧凑的表达式，其均值和方差。衍生的结果提供了新的见解的作用，多个sRNAs微调噪音的基因表达。特别是，我们表明，在由一个单一的sRNA的调控相反，多个sRNA提供了一种机制，独立控制的平均值和方差的调节蛋白质分布。
2011-02-11 physics.bio-ph q-bio.MN
Mathematical approaches to differentiation and gene regulation
我们考虑一些数学问题提出的基因网络的建模。基因的表达是由一套复杂的规则，这往往是象征性的相互作用图描述。一旦建立了这样一个图，在缺乏关于基因网络调控的精确定量数据的情况下，仍然存在一项艰巨的任务，即决定可以从中推断出基因网络的哪些动力学特性。本文讨论了R.Thomas提出的一个规则，根据这个规则，网络具有多个定态的可能性意味着在相应的相互作用图中存在正回路。我们证明，当适当制定严格的条款，这条规则成为一个定理有效的几种不同类型的正式模型的基因网络。这个结果对于微分或布尔类型的模型已经是已知的。我们在这里表明，一个更强的版本，它持有的差分设置时，考虑到蛋白质浓度的衰减。这使我们能够在分段线性模型和相应的离散模型的背景下验证托马斯规则的有效性。我们也讨论开放的问题。
2005-10-14 q-bio.MN
Reliability of frequency- and amplitude-decoding in gene regulation
在生物化学信号中，信息通常被编码在振荡信号中。然而，这种编码策略相对于恒定信号的幅度编码方案的优点仍然不清楚。在这里，我们研究了一个简单的模型基因启动子响应振荡和恒定的转录因子信号的动力学。我们发现，在生物相关的参数制度的振荡输入可以产生一个更恒定的蛋白质水平比一个恒定的输入。我们的研究结果表明，振荡信号可以用来最大限度地减少噪音在基因调控。
2012-02-07 q-bio.MN q-bio.SC
Robust gene regulation: Deterministic dynamics from asynchronous networks with delay
我们比较了离散动态网络的异步更新与同步更新，发现即使在随机顺序的异步更新的情况下，节点中的简单时间延迟也可能引起可再现的确定性动态。特别是，我们观察到，同步并行更新下的动态可以准确地再现下随机异步串行更新的一大类网络。这种机制指出了一个可能的一般原则，即尽管没有中心时钟，基因调控网络中的计算如何保持在准确定性的“发条模式”。类似于基因调控中发生的延迟导致模型中的同步。异步动力学下的稳定性不利于包含回路的拓扑结构，与生物调控网络中观察到的回路强抑制相比。
2003-09-25 cond-mat.dis-nn q-bio.MN
Patterns of subnet usage reveal distinct scales of regulation in the transcriptional regulatory network of Escherichia coli
由转录因子介导的基因间的调控相互作用形成了物种的转录调控网络（TRN）。通过将该网络与测量的基因表达数据进行比较，可以识别TRN的功能特性并获得对转录控制的一般了解。我们定义一个节点的子网为子图，由该节点拓扑下游的所有节点组成，包括它自己。利用大肠杆菌的大量微阵列表达数据，我们发现不同大肠杆菌中的基因表达在响应环境变化和基因型突变时表现出结构化的模式。表达模式变化较小的亚群具有较高比例的前馈环基序和较低比例的小RNA靶标。我们的研究表明，TRN由几个规模的调节组织：1）与更多的不同的基因表达控制的转录因子和转录后RNA调控，和2）与较少的变化基因表达有更多的前馈环和较少的转录后RNA调控的TRN。
2010-05-24 q-bio.MN
Intrinsic limits to gene regulation by global crosstalk
基因调控依赖于转录因子（TF）- DNA相互作用的特异性。在平衡状态下，有限的特异性可能导致串扰：一种调节状态，其中基因由于非同源TF-DNA相互作用而被错误激活或保持错误的失活状态。我们提出了一个易于处理的生物物理模型的全球串扰，许多基因同时受到许多TF。我们表明，在最简单的监管情况下，串扰的严重程度的下限可以分析来自单独的（共）调节基因的数量和一个合适的参数，描述结合位点的相似性。估计表明，串扰可能是一个重大的挑战，生物低特异性TF，如后生动物，除非他们使用适当的监管计划。强协同性大大降低串扰，而联合调节激活剂和抑制剂，令人惊讶的是，没有;此外，某些微观细节启动子架构出现作为全球重要的决定因素的串扰强度。我们的研究结果表明，串扰施加了一种新型的全局约束的功能和进化的调控网络，这是定性不同的已知的约束作用在个人的基因调控元件的水平。
2016-05-03 physics.bio-ph 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
Why a chloroplast needs its own genome tethered to the thylakoid membrane -- Co-location for Redox Regulation
本文提出叶绿体基因组与类囊体膜共定位是为了通过氧化还原调控实现基因表达的自我调节，从而适应环境变化。
2025-12-11 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
Gene Regulation by Riboswitches with and without Negative Feedback Loop
核糖开关是位于信使RNA非翻译区的结构元件，通过结合特定的代谢物来调节基因表达。我们引入一个动力学网络模型，描述核糖开关的功能，在系统水平上。使用黄素单核苷酸核糖开关的实验数据作为指导，我们表明，有效的功能，这意味着一个大的动态范围，而不损害抑制转录的要求，是由转录速度，适体的折叠和展开速率之间的平衡，和代谢产物的结合率。我们还研究了负反馈对代谢物结合的影响，这些代谢物本身就是受调控基因的产物。对于一系列转录速率，负反馈抑制基因表达近10倍。负反馈加速了基因表达响应时间，并且当DNA浓度中存在适度尖峰时，相对于没有反馈的情况，负反馈将稳态蛋白质浓度的变化抑制一半。一个动态相图表示转录速度，折叠速率，代谢物结合率预测核糖开关介导的转录调控不同的情况。
2012-10-25 q-bio.MN
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
Biophysical models of cis-regulation as interpretable neural networks
深度学习技术在基因组学中的采用受到了难以机械解释这些技术产生的模型的阻碍。近年来，已经提出了各种事后归因方法来解决基因调控背景下的神经网络可解释性问题。在这里，我们描述了一个互补的方式来解决这个问题。我们的策略是基于这样的观察，即顺式调节机制的两大类生物物理模型可以表示为深层神经网络，其中节点和权重具有明确的理化解释。我们还展示了如何使用现代深度学习框架，从某些类型的大规模并行报告分析（MPRA）产生的数据中快速推断出这种生物物理网络。这些结果表明，一个可扩展的策略，使用MPRA系统地表征生物物理基础的基因调控在广泛的生物背景。他们还强调，基因调控是开发可科学解释的深度学习方法的一个有前途的场所。
2020-02-07 cs.LG physics.bio-ph q-bio.MN
Bridging spatial and temporal scales of developmental gene regulation
本综述探讨了发育过程中基因调控跨空间与时间尺度的信息流动，强调利用聚合物物理学连接染色质局部转录事件与全局表达模式，以阐明多细胞生物发育的协调机制。
2025-01-28 physics.bio-ph q-bio.MN
The evolution of microRNA-regulation in duplicated genes facilitates expression divergence
背景资料：后生动物中microRNA调控的进化是一个神秘的过程：microRNA序列在远端生物中高度保守，但另一方面，它们的靶点没有明显的保守性。结果：我们通过分析D.黑猩猩。我们发现，一般来说，microRNA靶向基因倾向于避免基因复制。然而，在基因复制明显的情况下，我们发现在序列水平上与祖先基因表现出高度分歧的基因也可能以相反的方式与microRNA调控系统相关联-如果祖先基因是miRNA靶标，则分歧基因往往不是，反之亦然。结论：这表明，miRNA不仅具有赋予表达鲁棒性的作用，如先前的工作所建议的，而且还是进化表达分歧的可访问工具。
2008-02-26 q-bio.MN q-bio.PE
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
Approximation scheme based on effective interactions for stochastic gene regulation
由于基因调控系统有时只包含少量的分子，这些系统不能很好地描述宏观速率方程，这种情况下需要一个主方程的方法。我们开发了一个近似计划处理的随机性的基因调控系统。利用有效的相互作用概念，原始的主方程可以减少到更简单的主方程，它可以解析求解。我们将近似方案应用于具有单体或二聚体相互作用的自调节系统，以及具有排他性开关的双基因系统。该近似方案能充分恢复异相开关的双稳态。
2010-09-16 physics.bio-ph q-bio.MN
Regulation by small RNAs via coupled degradation: mean-field and variational approaches
被称为小RNA（sRNA）的调节基因在细胞对变化环境的反应中起着关键作用。对于几种sRNA，调节是通过与信使RNA（mRNA）偶联的化学计量降解来实现的。该监管计划中固有的非线性表明，相应的随机模型的精确解析解是棘手的。在这里，我们提出了一个变分的方法来分析一个研究充分的随机模型，通过耦合降解的sRNAs的监管。所提出的方法是有效的，并提供准确的估计平均mRNA水平以及高阶项。变分分析的结果与随机模拟的数据吻合得很好，包括参数空间的平均场方法崩溃的区域。所提出的方法可以应用于定量建模随机基因表达在复杂的调控网络。
2011-02-19 physics.bio-ph q-bio.MN
Threshold response and bistability in gene regulation by small noncoding RNA
在本文中，我们通过数学建模研究了蛋白质和小的非编码RNA（sRNA）在遗传反馈基序中的转录和翻译调控的综合效应，该基序在与氧气和能量可用性相关的压力下大肠杆菌的生存中起着重要作用。我们发现，这个基序的细微变化可以带来截然不同的影响基因表达。特别是，我们表明，随着sRNA合成或降解调节的改变，基因表达中的阈值响应改变为双稳态响应。这些结果是在确定性条件下得到的。接下来，我们研究了基因表达是如何被加性和乘性噪声改变的，这些噪声可能是由于不同生化事件的概率发生而产生的。使用Fokker-Planck公式，我们得到了稳态概率分布的sRNA浓度的网络模体显示双稳态。发现概率分布是双峰的，在低和高浓度的sRNA具有两个峰。我们进一步研究了在不同的噪声强度和相关值下的概率分布的变化。所得结果对人工控制综合网络的设计有一定的参考价值。
2018-02-15 q-bio.CB q-bio.MN
Learning a nonlinear dynamical system model of gene regulation: A perturbed steady-state approach
生物结构和功能依赖于许多基因之间复杂的调控相互作用。高通量全基因组测量技术可以获得丰富的基因表达数据，但仍需要有效的基因调控网络推断方法。建立在基因调控定量描述基础上的基于模型的方法是最有前途的方法之一，但许多这样的方法依赖于简单的局部模型或缺乏实验可解释性的特设推理方法。我们提出了一个实验设计，并制定了相关的统计方法，通过学习一个标准的定量，可解释的，预测的，基于生物药理学的常微分方程模型的基因调控推断基因网络。我们拟合模型参数使用基因表达测量扰动稳态的系统，像那些下面的过表达或敲低实验。虽然原来的模型是非线性的，我们的设计允许我们将其转化为一个凸优化问题，限制注意稳态和使用套索参数选择。在这里，我们描述了模型和推理算法，并将其应用到一个合成的六个基因系统，表明该模型是详细和灵活的，足以说明激活和抑制以及协同和自我调节，该算法可以有效地和准确地恢复用于生成数据的参数。
2016-03-25 q-bio.MN stat.AP
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
Eukaryotic gene regulation at equilibrium, or non?
假设转录因子平衡结合的转录调控模型在从细菌序列预测基因表达方面非常成功。然而，类似的平衡模型在真核生物中表现不佳，很可能是由于真核生物调控过程的大部分失衡性质。这些过程伴随着分子水平上不可避免的能量消耗，以支持精确、可靠或快速的基因表达反应，这可能对应于进化优化的调控策略。不幸的是，可能的非平衡机制的空间是巨大的，主要是无趣的。因此，关键问题是如何有效地导航这个空间，专注于生物相关的机制和模型。在这篇评论中，我们提倡理论的规范作用-理论规定，而不仅仅是描述-在提供这样一个焦点。理论应该扩大其职权范围，从数据（通过拟合）推断模型，对识别非平衡基因调控方案（通过优化），可能已经进化选择，由于其有利的功能特性，优于在平衡调节。这种方法可以帮助我们驾驭日益复杂的监管架构，并重新关注有关观察到的生物机制的问题，从它们如何工作到它们首先为什么进化。我们说明我们的推理玩具的例子，我们提供模拟代码。
2021-10-13 q-bio.MN q-bio.PE
Noise robustness and metabolic load determine the principles of central dogma regulation
本研究构建数学模型探索代谢负荷与生长鲁棒性的权衡，揭示了中心法则调控的新原理：最佳蛋白表达常过量、必需基因转录有下限、表达依赖转录与翻译的负荷平衡，这些原理决定了基因表达的全局调控。
2024-08-15 physics.bio-ph q-bio.MN
Positive feedback and temperature mediated molecular switch controls differential gene regulation in Bordetella pertussis
基于BvgAS双组分系统中的磷酸化反应动力学，我们提出了一个百日咳杆菌表型阶段的信号转导和基因调控的数学框架。该模型确定了一种新的机制，存在于bvg基因座的两个启动子之间的转录干扰。为了了解系统在高温下的行为，开发的模型已经在两种不同的方式进行了研究。首先，准稳态分析已经进行了两个组成部分的系统，包括传感器BvgS和响应调节器BvgA。准稳态分析揭示了温度诱导的急剧分子开关，导致BvgA的输出放大。因此，BvgA的大池的积累导致下游基因（包括编码毒素的基因）的差异调节。然后进行全网络动力学的数值积分，以探索不同系统组件的时间依赖性行为，从而定性地捕获在体内进行的实验结果的基本特征。此外，已开发的模型已被用来研究突变体的能力受损，磷酸化的转录因子，BvgA，的信号网络。
2012-08-17 physics.bio-ph q-bio.MN q-bio.SC
Rapid Circadian Entrainment in Models of Circadian Genes Regulation
基于哺乳动物、脉孢菌和果蝇的昼夜节律基因调控的数学模型，研究了基于光的最小时间昼夜节律夹带问题.这些模型包含高阶非线性微分方程。两种模型简化方法被应用到这些高阶模型：相位响应曲线（PRC）和主正交分解（POD）。在高阶模型中，采用变分法和梯度下降法求解最优光输入。由于梯度下降算法的结果严重依赖于初始猜测，我们使用PRC的最优控制和简化模型来初始化梯度下降算法。在本文中，我们提出：（1）PRC算法和直接打靶算法在高阶非线性模型上的应用;（2）高阶非线性模型最小时间最优控制问题的一般求解过程;（3）最小时间最优光照对昼夜基因转录和蛋白质合成的影响。
2019-03-09 math.OC nlin.AO q-bio.MN
Morphogenesis by coupled regulatory networks: Reliable control of positional information and proportion regulation
基于空间模式形成的非平衡机制，我们研究了如何通过局部耦合的离散动力学网络来控制位置信息，类似于发育中的多细胞生物体中细胞的基因调控网络。作为一个例子，我们研究的发展问题的域的形成和比例调节的存在下，噪音，以及在存在的细胞流。我们发现，解决这一任务的网络表现出信息处理的层次结构，并具有类似的复杂性，作为活细胞的发育电路。比例调节可随系统大小而缩放，并导致基因表达结构域的尖锐、精确定位的边界，即使对于大量细胞也是如此。噪声诱导的动力学，使用平均场近似的详细分析表明，在基因表达状态的噪声稳定（而不是破坏）的空间模式中存在的细胞运动，无论是静止的，以及增长的系统。最后，我们讨论了如何在多细胞生物体中生长组织的高度动态环境中实现这种机制。
2009-08-25 cond-mat.dis-nn nlin.CG q-bio.CB
