Correlating overrepresented upstream motifs to gene expression: a computational approach to regulatory element discovery in eukaryotes
真核生物中的基因调控主要通过转录因子与通常位于编码区上游的相当短的识别基序结合来实现。我们提出了一种新的计算方法来确定在真核基因的上游区域的调控元件。这些基因被分组在集合中，在它们的上游序列中共享一个过度表达的短基序。对于每个集合，确定来自微阵列实验的平均表达水平：如果该水平显著高于或低于整个基因组的平均水平，则集合中基因共享的过度表达基序可能在其调节中发挥作用。该方法进行了测试，通过将其应用到酿酒酵母的基因组，使用公开的结果的DNA微阵列实验，其中几乎所有的基因的表达水平进行了测量期间的二次发酵转换到呼吸。正确鉴定了几个已知的基序，并确定了一个新的候选调控序列。
2002-03-06 cond-mat physics.bio-ph q-bio.MN
Counting Subnetworks Under Gene Duplication in Genetic Regulatory Networks
本文通过建立基因复制模型，研究基因调控网络中基因家族特异性子网络模体的计数问题，并区分完全复制与部分复制两种机制，为发现具有显著性的子网络模体提供了方法。
2024-05-06 math.CO q-bio.MN
A compositional account of motifs, mechanisms, and dynamics in biochemical regulatory networks
本文用范畴论形式化生化调控网络，通过带符号图和函子建立反应网络与 Lotka-Volterra 动力系统之间的函子映射，并扩展到开放系统以支持复杂网络的组合构建。
2024-05-05 math.CT q-bio.MN
Generic Properties of Random Gene Regulatory Networks
基因调控网络（GRNs）的建模是系统生物学的一个重要课题。虽然已经有很多工作集中在各种特定的系统，具有连续变量的广义随机网络的一般行为仍然是难以捉摸的。特别是吸引子如何在稳态、周期和混沌三种轨道之间进行划分，以及网络的动力学性质如何随网络的拓扑特征而变化，目前尚不清楚。在这项工作中，我们首先研究了这些问题的随机GRNs与不同的网络大小，连接，抑制链接和转录调控规则的分数。然后，我们寻找控制大型GRNs动态行为的核心基序。我们表明，一个随机GRN的稳定性通常是由一些嵌入图案的小尺寸，因此可以在一般情况下理解这些短图案的上下文中。我们的研究结果为遗传网络的研究和设计提供了见解。
2014-04-21 q-bio.MN
Core regulatory network motif underlies the ocellar complex patterning in Drosophila melanogaster
在器官发生过程中，由基因调控网络（GRN）控制的发育程序定义了活生物体不同组成部分的功能、大小和形状。因此，鲁棒性是GRNs需要满足的一个基本特征，以保持物种的生存力和再现性。在目前的工作中，我们分析的鲁棒性的单眼复合物形成的果蝇果蝇的图案。我们已经系统地修剪了驱动这个视觉系统发展的GRN，以获得能够满足这种模式的最小路径。我们发现，图案化的机制遵循的3节点网络模体的动力学与双负反馈回路由形态发生梯度，触发抑制在法国国旗问题的时尚。GRN的布尔建模证实了图案化机制的鲁棒性，对于不同的网络复杂度水平显示出相同的结果。有趣的是，该网络提供了一个稳定状态的解决方案，在interocellar部分的图案和振荡制度的单眼。这一理论结果预测单眼模式可能是其遗传调节中振荡动力学的基础。
2014-12-16 physics.bio-ph q-bio.MN q-bio.TO
Local graph alignment and motif search in biological networks
相互作用网络在后基因组分子生物学中具有核心重要性，越来越多的数据可通过高通量方法获得。例如基因调控网络或蛋白质相互作用图谱。分析这些数据的主要挑战是从网络的拓扑结构中读取生物功能。拓扑基序，即，在网络中不同位置重复出现的模式最近被确定为分子信息处理的基本模块。在本文中，我们讨论的图案来自家庭的相互相似，但不一定相同的模式。我们建立了一个统计模型的发生，这样的图案，从中我们得到一个评分函数的统计意义。基于这个评分函数，我们开发了一个搜索算法的拓扑图案称为图对齐，一个程序与一些类比序列比对。将该算法应用于大肠杆菌基因调控网络。杆菌
2004-11-27 cond-mat.stat-mech q-bio.MN
Information-thermodynamic characterization of stochastic Boolean networks
实验技术的最新进展使我们能够定量地研究生物系统的随机性和柔性行为。例如，基因调控网络执行随机信息处理，其功能已被广泛研究。在基因调控网络中，有一些特定的子图，称为网络基序，其出现频率远远高于随机网络中的频率。进一步了解这种网络的设计原理是非常可取的。在不同的背景下，信息热力学已经发展成为一个理论框架，将非平衡态热力学推广到具有信息的随机波动系统。在这里，我们系统地描述基因调控网络的信息热力学的基础上。我们通过一个随机布尔模型来模拟三节点基因调控模式，该模型接收一个或两个携带外部信息的输入信号。在单输入情况下，利用耗散和互信息等信息热力学量将三节点模式分为四种类型，并揭示了每个网络模体属于哪种类型。其次，我们考虑的情况下，有两个输入，并评估的三个节点的模式的逻辑运算能力，通过使用三方互信息，并论证了为什么较少的边缘模式是首选的自然选择。这一结果也可以解释不同类型前馈环网络模体出现频率的差异。
2018-06-20 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.MN
Fundamental Dynamic Units: Feedforward Networks and Adjustable Gates
给定基因的激活/阻遏通常由多个转录因子（TF）调节，所述TF结合在基因调控区并募集RNA聚合酶（RNAP）。启动子区与转录因子之间以及不同转录因子之间的相互作用决定了基因在不同生理条件下的动态响应。通过选择与多达三个转录因子的特定调控相互作用，我们设计了几个功能基序，每个基序都显示出执行特定功能，并且可以整合到更大的网络中。我们分析了三种网络：（i）来自非相干前馈基序的基序，其表现为“振幅滤波器”或“浓度检测器”。这些基序对浓度在一定范围内的输入转录因子响应最大。从这些图案的稳态和脉冲产生网络的衍生。(ii)可调网络模体，其可分别作为低和高浓度的输入转录因子的振荡器或开关。(iii)转录因子控制的可调门，其根据输入转录因子的浓度在AND/OR门特性之间切换。这项研究已经证明了前馈网络的效用和特定的转录结合动力学的灵活性，在产生新的新颖的行为。前馈网络作为动态单元的灵活性可以解释这种基序在真实生物网络中出现的频率。
2009-07-12 q-bio.MN
Motif statistics of artificially evolved and biological networks
通过选择短动态吸引子进化的模型种群，可以成功地再现基因调控网络的拓扑特征。网络的进化群体表现出模体统计，由显著性概况总结，其与{ \it E. coli、S. cerevsiae}和{ \it B. subtilis}，在诸如线性基元和前馈回路的过量以及反馈回路的不足等特征中。缓慢松弛到停滞状态是崎岖的适应度景观的标志，独立进化的种群探索在网络属性上强烈不同的不同山谷。
2014-06-23 q-bio.MN
Antithetic Integral Feedback ensures robust perfect adaptation in noisy biomolecular networks
Department of Biosystems Science and Engineering (D-BSSE),ETH–Zürich（巴塞尔苏黎世联邦理工学院生物系统科学与工程学院）
本文提出了一种新的调节模式，即反向积分反馈，用于在噪声环境下稳定和调节生物分子网络，通过结合概率和控制理论，实现了鲁棒的完美适应。
2016-01-13 cs.SY eess.SY math.OC
Stability of Imbalanced Triangles in Gene Regulatory Networks of Cancerous and Normal Cells
基因通过不同的调节作用相互交流，导致细胞中出现复杂的结构，预计正常细胞和癌细胞的这种结构是不同的。为了研究乳腺癌的差异，我们研究了根据RNA测序数据推断的细胞的基因调控网络（GRN）。GRN是一个有符号的加权网络，对应于诱导或抑制的相互作用。在这里，我们专注于GRN中的一个特定的图案，三角形，如果负相互作用的数量是奇数，则是不平衡的。通过研究GRN中不平衡三角形的稳定性，我们发现癌细胞网络与正常细胞网络相比具有更少的不平衡三角形。此外，在正常细胞中，不平衡的三角形与网络的主要部分分离，而这些图案是癌细胞中网络的巨大组成部分的一部分。我们的结果表明，由于基因的集体行为，复杂的结构在癌细胞中不同于正常细胞。
2020-10-07 physics.bio-ph q-bio.MN
Enrichment and aggregation of topological motifs are independent organizational principles of integrated interaction networks
拓扑网络模体代表调控网络和蛋白质相互作用网络内部和之间的功能关系。丰富的基序通常聚集成自成一体的单元，形成功能模块。通过复制-发散机制的网络进化和通过分层无标度网络的网络拓扑的理论模型已经提出了网络模体富集和聚集之间的一对一关系，但这种关系从未在真实的生物相互作用网络中进行过定量测试。在这里，我们介绍了一种新的方法来评估网络模体聚集的统计意义，并确定重叠的网络模体的集群。使用一个集成的网络的转录，翻译后和蛋白质相互作用在酵母中，我们表明，网络模体聚集反映了本地模块化的属性，这是独立的网络模体富集。特别是，我们的方法确定了新的功能网络主题的一组图案是不丰富的，但聚集显着和挑战的传统观点，网络模体丰富是最基本的组织原则的复杂网络。
2011-09-09 q-bio.MN
Testing biological network motif significance with exponential random graph models
生物网络结构的分析通常使用统计测试来建立基序的过度表示，这些基序被认为是这种网络的重要组成部分，与它们的生物功能有关。然而，对于这些图案的统计意义存在分歧，并且估计这种意义的标准方法存在潜在问题。指数随机图模型（ERGMs）是一类统计模型，可以克服一些常用的方法来测试的统计显着性的模体的缺点。ERGM在十多年前首次引入生物信息学文献，但在生物网络中的应用有限，可能是由于估计模型参数的实际困难。估计算法的进步现在提供了更大的网络在实际时间的分析。我们说明了ERGM的应用程序，一个无向蛋白质相互作用（PPI）网络和定向基因调控网络。ERGM模型表明PPI网络中三角形的过度表示，并证实了先前研究的结果，即E.大肠杆菌和酵母调控网络。我们还确认，使用ERGMs，以前的研究表明，代表性不足的循环三角形（反馈回路）可以解释为其他拓扑特征的结果。
2021-11-09 q-bio.MN q-bio.QM
Identifying the sources of noise synergy and redundancy in the gene expression of feed-forward loop motif
本文识别前馈环基因调控中因通路汇聚产生的额外噪声组分，利用基因间相关性将其解释为协同或冗余，并连接网络结构与随机调控及细胞决策功能。
2025-07-09 physics.bio-ph q-bio.MN
Discovering Motifs to Fingerprint Multi-Layer Networks: a Case Study on the Connectome of C. Elegans
本文以秀丽隐杆线虫连接组为例，利用ESCAPE算法识别多层神经系统中的网络模体，并将其与功能回路和信号通路关联，揭示了神经网络的组织规律。
2024-08-30 q-bio.MN
One Hub-One Process: A Tool Based View on Regulatory Network Topology
调控设计和分子网络功能之间的关系是生物学中的一个关键问题。模块和基序已经与各种细胞过程相关联，从而为分子网络上基于性能的定位提供了轶事证据。为了量化结构-功能关系，我们研究了在酿酒酵母的调控网络中接近的蛋白质的相似性。我们发现，调控网络的拓扑结构显示其历史的网络重组的弱残余，但强大的功能，与类似的任务相关的共调节蛋白。这表明，局部拓扑特征的调控网络，包括广泛的程度分布，出现作为一个隐含的结果，匹配一些所需的过程，以有限的蛋白质工具箱。
2007-11-29 cond-mat.soft q-bio.MN
Resource competition in Three-gene-motif & Emergence of Feed-forward response: A Spatiotemporal Study
本研究探讨了三基因通路中因核糖体等资源竞争而涌现的前馈环路（FFL）响应，通过时空稳定性分析发现其具备响应延迟、脉冲生成及二维浓度梯度下的模式形成等特征，为合成与细胞系统提供了新控制理念。
2024-01-07 q-bio.MN q-bio.QM
Network motifs come in sets: correlations in the randomization process
模体（motifs）--子图在特定网络中出现的频率明显高于随机网络集合中的频率--的识别已经成为一种普遍存在的方法，用于揭示从各种领域抽取的网络中潜在的重要子单元。我们发现，用于从真实网络变化子图生成系综的最常见算法以高度相关的方式计数，因此一个子图作为基序的状态可能不独立于其他子图的状态。我们证明了这种效应的问题，3-和4-节点基序鉴定转录调控网络的E。coli和革兰氏阳性菌S.其中通过边缘交换算法产生随机化网络（Milo等人，科学298：824，2002）。我们证明了3-节点子图之间的相关性是很容易解释的，并提出了一个信息论工具，可以用来识别任何大小的子图之间的相关性。
2009-07-27 q-bio.MN q-bio.QM
Functional architecture and global properties of the Corynebacterium glutamicum regulatory network: novel insights from a dataset with a high genomic coverage
谷氨酸棒杆菌是一种革兰氏阳性、厌氧、棒状土壤细菌，能够在多种碳源如糖和有机酸上生长。由于其高效生物合成氨基酸如L-谷氨酸和L-赖氨酸的能力，其是生物技术相关的生物体。在这里，我们重建了最完整的C。对迄今为止的谷氨酸调控网络进行了系统的研究，全面分析了谷氨酸调控网络的全球组织性质、系统级特征和功能架构。我们的分析显示了Abasy Atlas在研究调控网络的功能组织方面的巨大力量。我们创建了C的两个模型。谷氨酸调控网络：所有证据（包含弱支持和强支持的相互作用，基因组覆盖率= 73%）和强支持（仅考虑强支持的证据，基因组覆盖率= 71%）。使用国家的最先进的方法，我们证明了幂律行为真正统治的连接和聚类系数分布。我们发现了一个以前没有报道过的电路基序，我们命名为复杂的前馈基序。我们强调了反馈回路对功能架构的重要性，而不仅仅是它们在网络中是否在统计上过度代表。我们发现，以前报道的自上而下的方法是不足以推断的层次结构的调控网络，因为反馈桥不同的层次结构层，和自上而下的方法忽视了存在的模块间基因塑造的整合层。我们的研究结果进一步支持了一个菱形的，三层的层次结构，表现出一些反馈之间的处理和协调层，这是由四类系统级元素：全球监管机构，本地自主模块，基础机械和模块间基因。
2016-10-26 q-bio.GN q-bio.MN
Stochastic modeling of auto-regulatory genetic feedback loops: a review and comparative study
自动调节反馈环是最常见的网络模体之一。已经构建了各种各样的随机模型，以了解这些环中蛋白质数量的波动如何受到主要生化步骤的动力学参数的影响。这些模型的不同之处在于：（i）明确模拟了哪些亚细胞过程;（ii）采用的建模方法（离散、连续或混合）;（iii）它们是否可以解析求解蛋白质数量的稳态分布。我们讨论了文献中的主要模型的假设和属性，总结了我们目前对它们之间关系的理解，并强调了通过建模获得的一些见解。
2019-10-20 q-bio.MN q-bio.SC
The power of the AC-DC circuit: Operating principles of a simple multi-functional transcriptional network motif
基因编码的调节回路控制生物功能。系统生物学的一个主要焦点是通过建立特定结构和功能之间的关系来理解这些电路。特别令人感兴趣的是能够在不改变其拓扑结构的情况下执行不同行为的多功能电路。这种系统的一个特别简单的例子是AC-DC电路。在多个调节过程中发现，该回路由三个基因组成，它们以拨动开关和阻遏物的组合连接。利用动力系统理论，我们分析了现有的动力学制度，表明AC-DC可以表现出振荡和双稳态。我们发现，这两个动力学制度可以共存鲁棒性在同一区域的参数空间，产生新的紧急行为不提供给个别子网络组件。我们证明了AC-DC电路提供了一种在振荡和稳定表达之间快速切换的机制，并且在存在噪声的情况下，电路的多功能性提供了控制振荡的相干性的可能性。此外，我们提供的证据表明，一个振荡制度的可用性允许AC-DC电路的行为作为一个可激发的系统能够随机脉冲和空间信号传播。综合这些结果揭示了如何一个简单的AC-DC电路系统可以产生多个复杂的动力学行为在相同的参数范围内，非常适合于多功能合成遗传电路的建设。同样，分析揭示了这种电路的潜力，以促进不同的模式化机制的演变。
2017-08-16 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
Stabilizing Gene Regulatory Networks Through Feedforward Loops
基因调控网络的全局动力学对内部和外部噪声形式的扰动以及单个基因的突变具有鲁棒性。这种稳健性背后的一种分子机制已被确定为通过前馈回路操作的所谓microRNA的作用。我们目前的计算研究结果，使用随机布尔网络的建模框架，探讨了这种网络模体在稳定全球动态中发挥的作用。本文提出了一种新的随机网络稳定性测度。结果表明，某些类型的前馈回路确实缓冲了网络对随机效应的影响。
2013-05-23 math.DS nlin.CD q-bio.MN
Circadian Clock Model with Sequestration Repression Motif: Existence of Periodic Orbits and Entrainment Properties
本文研究具有蛋白质隔离基序的哺乳动物生物钟模型，利用时间尺度分离证明周期轨道存在，并揭示该基序诱导的特定相位响应曲线及与Goodwin振荡器相比的鲁棒性优势。
2025-06-04 math.DS q-bio.MN q-bio.QM
A computational scheme connecting gene regulatory network dynamics with heterogeneous stem cell regeneration
本研究提出一种计算框架，通过数据驱动的遗传函数构建，结合跨细胞周期基因调控网络混合模型与单细胞建模，连接基因调控动力学与异质性干细胞再生，可推广至多种调控网络以深化相关机制理解。
2024-04-17 q-bio.CB q-bio.MN
Reconciling Kinetic and Equilibrium Models of Bacterial Transcription
转录的研究仍然是现代生物学的核心之一，其影响范围从发育到代谢，从进化到疾病。使用包括荧光和测序读数在内的许多不同技术进行精确测量，提高了定量理解转录调控的标准。特别是，我们对最简单的遗传回路的理解在实验和理论上都得到了充分的完善，因此有可能仔细区分这种调节系统如何工作的不同概念图片。这种调控基序最初由Jacob和Monod在20世纪60年代提出，由结合到启动子位点并抑制转录的单个转录阻遏物组成。在本文中，我们展示了如何七个不同的模型，这个所谓的简单的抑制基序，平衡和动力学的思想的基础上，可以用来推导预测水平的基因表达和阐明往往令人惊讶的过去的成功的平衡模型。这些不同的模型，然后调用面对各种不同的数据的均值，方差和完整的基因表达分布，说明在何种程度上，这些模型可以和不能区分，并建议一个两个国家的模型与突发大小的分布作为最有力的七个简单的抑制基序。
2020-06-14 q-bio.MN q-bio.SC
Principles of microRNA regulation of a human cellular signaling network
microRNAs（miRNAs）是一种内源性的22核苷酸RNA，通过碱基配对选择性地与特定信使RNA的3-非编码区结合，从而抑制基因表达。鉴于miRNA靶标的多样性和丰富性，miRNA似乎与许多细胞网络的各种组分功能性地相互作用。通过分析miRNAs与人类细胞信号网络之间的相互作用，我们发现miRNAs主要靶向正调控基序、高度连接的支架和大多数下游网络组件如信号转录因子，但较少靶向负调控基序、基本细胞机器的常见组件和大多数上游网络组件如配体。此外，当衔接子有可能募集更多下游组分时，这些组分更频繁地被miRNA靶向。这项工作揭示了miRNA调节信号转导网络的原理，并暗示了miRNA促进细胞对细胞外信号的反应的稳健转变和维持细胞内稳态的潜在功能。
2006-12-18 q-bio.GN q-bio.MN
Cross-talk and interference enhance information capacity of a signaling pathway
基因调控网络中的重复基序是转录因子（TF），其相互调节，然后结合到DNA上的重叠位点，在那里它们相互作用并协同控制靶基因的转录。在这里，我们建议，这个主题最大限度地提高信息流在嘈杂的网络。基因表达是一个固有的噪声过程，由于热波动和少量的分子参与。多个TF在重叠结合位点相互作用的结果是它们的结合噪声变得相关。使用信息论的概念，我们表明，一般来说，如果1）一个输入的噪音与另一个输入的噪音相关，2）输入信号不是独立选择的，则信号通路传输更多信息。在TF的情况下，后一个标准暗示了上游的交叉调节。我们展示了这些想法的竞争TF和前馈基因调控模块，并讨论了其他信号通路的推广。我们的研究结果挑战了传统的方法治疗生物噪声不相关的波动，并提出了一个系统的方法来理解TF交叉调节网络，无论是从直接测量的结合噪声，或重叠的结合位点的生物信息学分析。
2013-03-06 q-bio.MN
Emergent Regulatory Response and Shift of Half induction point under Resource Competition in Genetic circuits
合成的遗传电路在活细胞中实现，用于它们的操作。在基因表达过程中，通过转录和翻译过程形成复合物，由相应的基因产生蛋白质。在转录中，电路使用RNAP等作为来自宿主细胞的资源，而在翻译中，核糖体、tRNA和其他细胞资源被提供给操作电路。由于单元包含的这些资源数量有限，电路可能会遭受前所未有的资源竞争，这可能会破坏电路功能，或引入一些紧急响应。在本文中，我们研究了一个三基因基序下的资源竞争，有趣的行为，类似于监管反应发生由于有限的供应所需的资源。感兴趣的系统表现出显着的变化，可以通过实验观察到的行为。我们重点关注两个具体方面，即动态范围和半感应点，它们本质上描述了电路功能，并且会受到相应资源亲和力和可用性的影响。
2021-12-09 q-bio.MN q-bio.QM
Feedback-mediated circulation and persistence of stochastic fluctuations in gene regulatory circuits
Bose Institute（博斯研究所）；The University of Tokyo（东京大学）；Indian Institute of Engineering Science and Technology, Shibpur（印度工程科学和技术学院（希布尔））
研究基因调控回路中反馈拓扑对随机波动的控制，通过建立理论框架，识别出循环噪声，揭示其与波动持续性的关系，为理解反馈结构调节噪声大小和持续性提供最小框架。
2026-07-21 physics.bio-ph q-bio.MN
A meta-analysis of Boolean network models reveals design principles of gene regulatory networks
该研究通过构建最大的专家整理布尔基因调控网络模型库并进行元分析，揭示了GRNs具有更高的渠化性、冗余性、稳定动力学及特定网络模体富集等设计原理，为理解进化偏好提供了基础。
2023-09-11 math.DS nlin.AO 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
Anomalies in the transcriptional regulatory network of the yeast Saccharomyces cerevisiae
我们研究了酵母{ \it Saccharomyces cerevisiae}的转录调控网络的结构和动力学性质，并将其与两个无偏的集合进行比较：一个是通过重新洗牌的边缘获得的，另一个是通过模仿细胞内的转录调控机制产生的。两个集合都再现了度分布（第一个-通过构造-精确地，第二个近似地）、度-度相关性和在酵母中观察到的$k$ -核心结构。与第二个集合相比，在酵母中发现的异常大的动态相关核心网络指向对集体组织的强烈偏见，这是通过对网络度分布的细微修改实现的。我们使用一个布尔模型的监管动态与各类更新功能，以代表在体内的监管相互作用。我们发现，酵母的核心网络有一个质的不同的行为，平均容纳多个吸引子不像典型的成员，这两个参考合奏收敛到一个单一的主导吸引子。最后，我们研究了网络的鲁棒性，发现网络的稳定性强烈依赖于所使用的函数类。鲁棒性测度被压缩到一个较窄的频带周围的秩序混沌边界时，布尔输入需要是非冗余的每个节点。然而，参考模型和酵母的核心之间的差异是微不足道的，这表明动态稳定的网络元素主要位于调控网络的外围。一致的是，统计上显着的三节点基序的动态核心的酵母原来是不同的和不稳定的比那些发现在完整的转录调控网络。
2009-12-08 q-bio.MN
Transient hysteresis and inherent stochasticity in gene regulatory networks
细胞命运决定，即细胞向分化状态转化的过程，通常由具有互斥表达状态的基因调控基序介导。用于细胞命运确定的经典确定性图像包括双稳态和滞后，其使得在撤销刺激后获得的细胞状态能够持续，从而确保稳健的细胞响应。然而，基因表达动力学固有的随机性与滞后不相容，因为控制化学主方程的固定解不依赖于初始条件。在这项工作中，我们提供了一个短暂的滞后现象，调和滞后行为的实验证据，在基因调控网络与其固有的随机性的定量描述。在足够慢的动态下，非稳态解对细胞初始状态的依赖性可能导致我们在这里表示为瞬态滞后。为了量化这种现象，我们提供了一个估计的收敛速度的平衡。我们还介绍了一个自然景观捕捉系统的演变，不像传统的细胞命运潜在的景观，是兼容的概念共存的微观水平上的方程。
2019-10-08 math.DS q-bio.MN
MERLIN-SUITE: Probabilistic modular GRN inference from multi-omics data integrating regulatory priors and transcription factor activity
Wisconsin Institute for Discovery, University of Wisconsin-Madison（威斯康星发现研究所，威斯康星大学麦迪逊分校）；Department of Biostatistics and Medical Informatics, University of Wisconsin-Madison（威斯康星大学麦迪逊分校生物统计与医学信息学系）
提出MERLIN-SUITE框架，通过整合外部调控先验和潜在转录因子活性估计，实现从多组学数据中稳健推断基因调控网络，并在单细胞重编程数据中验证。
2026-07-03 q-bio.MN
The Dynamics of Inducible Genetic Circuits
California Institute of Technology（加州理工学院）；University of California, Berkeley（加州大学伯克利分校）；Institute for Quantitative Biosciences-QB3（定量生物科学研究所-QB3）；Chan Zuckerberg Biohub–San Francisco（钱泽克伯格生物中心旧金山分部）
本文提出使用统计力学模型研究可诱导基因电路的动力学，关注效应分子浓度而非传统参数，揭示生物参数调节调控motif稳定性的新视角。
2026-03-04 physics.bio-ph q-bio.MN q-bio.SC
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
Biomolecular LQR under Partial Observation
Southeast University（东南大学）；Chinese Academy of Sciences（中国科学院）
本文提出生物分子 LQR 方法研究基因调控网络设计原理，发现其推导的生物控制器能重现自然网络模体，证明 LQR 代价函数编码生存需求并驱动拓扑与参数选择，为解释生物线路设计提供理论基础。
2025-11-04 math.OC q-bio.MN
Stochastic Analysis Of An Incoherent Feedforward Genetic Motif
基因产物（RNA，蛋白质）通常以低分子量存在于单个细胞内，因此随着时间的推移，拷贝数会受到相当大的随机波动（噪音）。毫不奇怪，细胞编码不同的调节机制来缓冲噪音。一种这样的机制是非相干前馈电路。我们分析了这个电路的一个简单版本，其中上游调节器X影响蛋白Y的产生和降解。因此，X拷贝数的任何随机增加都会增加产量和降解，保持Y水平不变。为了研究它的随机动力学，我们使用化学主方程公式将这个网络公式化为一个数学模型。我们证明了如果Y的产生和退化对X的函数依赖是相似的，那么Y的拷贝数的稳态分布与X无关。为了研究Y的波动是如何向下游传播的，引入了一种蛋白质Z，其产生速率仅取决于Y。有趣的是，结果表明，Z中的噪声程度随着X中的噪声而增加，尽管Y中的噪声幅度是X的不变量。出现这种违反直觉的结果是因为X增强了Y波动的时间尺度，这放大了下游过程的波动。总而言之，虽然前馈系统可以缓冲蛋白质免受其上游调节器中的噪声的影响，但由于波动时间尺度的变化，噪声可以向下游传播。
2015-09-30 q-bio.MN
Generalization of the construction method for multistability-equivalent gene regulatory networks to systems with multi-input multi-output loopbreaking
Schittler et al.（2013）最近解决了不同维度的基因调控网络模型之间多稳定性方面的等价性问题。作者在这项工作中提出了一个高维动力系统的建设规则，当给定一个低维动力系统和高维网络结构。然而，其中的证明仅限于所有内部反馈回路都可以通过产生单输入单输出（SISO）系统的回路破坏方法来破坏的系统类。在这份报告中，我们提出了推广的证明，任何数量的内部反馈回路，这将被打破了一个广义的破环的方法，从而在一个多输入多输出（MIMO）系统的系统。这种方法的推广使得构建方法适用于广泛的一类基因调控网络模型，从而促进了从核心基序模型到更现实的高维基因调控模型的结果转移。我们通过将其应用于间充质干细胞分化中的基因调控网络的一个例子来证明我们的方法的潜力和价值。
2014-01-02 math.DS q-bio.MN q-bio.QM
On prediction of regulatory genes by analysis of C.elegans functional networks
连接网络最近已成为生物学中广泛使用，由于越来越多的信息的物理和功能之间的联系，个别蛋白质。这种连接性数据提供了有价值的材料，扩展我们的知识远远超出了实验验证通过数学分析和理论预测的新的功能相互作用。在本文中，我们展示了几种算法的应用程序开发的潜在的基因表达调控的背景下，相关的网络的排名。我们分析了基因和蛋白质之间不同类型的连接如何影响完整的秀丽隐杆线虫功能网络的拓扑结构，从而验证算法性能。我们证明了可能的定义，共表达基因簇的网络背景下，从他们的特定的基序分布签名。我们还表明，基于最短路径函数（SPF）的方法应用于共表达基因簇的基因相互作用子网络，有效地预测新的调控转录因子（TF）。同时应用其他方法，包括只与邻近基因的相互作用，允许快速排名的潜在监管机构，可以在功能上与一组共表达的基因。预测一组核糖体/mRNA代谢基因的调节器的功能，我们强调了mRNA翻译和衰减的生物体寿命中的作用。
2013-02-14 q-bio.GN q-bio.MN
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
Memory functions reveal structural properties of gene regulatory networks
基因调控网络（GRNs）控制组织发育和稳态过程中的细胞功能和决策。基于动态系统理论的数学工具通常用于对这些网络进行建模，但这些模型的规模和复杂性意味着它们的行为并不总是直观的，并且潜在的机制可能难以破译。因此，简化和帮助探索复杂网络的方法是必要的。为此，我们开发了一个广泛适用的形式的Zwanzig-Mori投影。通过首先将热力学状态集合模型的基因调控到质量作用反应，我们得出一个一般的方法，产生一组时间演化方程的一个网络的组件的子集。网络的其余部分（块）的影响被记忆函数捕获，记忆函数描述子网络如何通过块中的组件对其自身的过去状态做出反应。这些记忆功能提供了接近稳态动态的探测器，揭示了不容易获得的信息。我们说明了一个简单的交叉抑制转录基序的方法，显示记忆功能不仅简化了子网络的分析，但也有一个自然的解释。然后，我们将该方法应用于脊椎动物神经管的GRN，这是一个由四个相互作用的转录因子组成的发育转录网络。记忆功能揭示了神经管网络中特定链接的功能，并确定了专门增加网络对初始条件鲁棒性的调节结构的特征。综上所述，该研究提供了证据表明，Zwanzig-Mori预测为简化和探索GRNs的行为提供了强大而有效的工具。
2018-03-15 q-bio.MN
Efficient approximations of transcriptional bursting effects on the dynamics of a gene regulatory network
本研究针对基因调控网络模型中纳入转录爆发随机性计算成本高的问题，以自负反馈基序为例，提出多层近似方法，扩展了化学朗之万方程，在提升计算效率的同时支持解析分析，并给出了方法使用建议。
2025-03-20 physics.bio-ph q-bio.MN q-bio.SC
Trade-offs in delayed information transmission in biochemical networks
为了传递生化信号，生物调节系统消耗能量并伴随着熵的产生。此外，信号通常发生在具有挑战性的环境条件下。在一个简单的模型监管电路的输入和延迟输出，我们探讨信息传输和系统的能量效率之间的权衡。我们确定最大信息网络，给定固定的熵产生和延迟响应，探索有反馈和无反馈的情况。我们发现，反馈允许电路，以克服能量的限制和传输接近最大的可用信息，即使在无耗散的限制。负反馈回路，冲击响应的特征，是最佳的高耗散。接近平衡的正反馈回路，以其稳定性而闻名，变得更加信息化。当我们问到信号网络应该如何在最坏的环境中发挥最佳作用，而不是在最佳的环境中或在稳定状态下发挥最佳作用时，我们发现，在大耗散下，相同的通用基序在所有这些条件下都是最佳的。
2015-04-14 q-bio.MN
Noise Characteristics of Feed Forward Loops
基因转录调控网络的一个显著特征是网络中存在大量的基序，即相互连接的模式。一个这样的基序是由三个基因X、Y和Z组成的前馈环（FFL）。X的蛋白质产物x控制Y的蛋白质产物y的合成。蛋白质x和y共同调节基因Z的z蛋白质合成。根据调节相互作用的性质，FFL可以有八种不同的类型，这些类型又可以分为两类：连贯的和不连贯的。在本文中，我们研究了FFL的噪声特性的朗之万形式主义和基于Gillespie算法的Monte Carlo模拟技术。我们计算周围的平均蛋白质水平在稳定状态的FFL的方差，并发现，在相干FFL的情况下，最丰富的FFL，即1型相干FFL，是最少的噪音。然而，在非相干FFL的情况下并非如此。结果表明，噪音，功能和丰度之间可能存在关系。
2004-11-03 cond-mat.other cond-mat.stat-mech q-bio.MN
The emergence of the two cell fates and their associated switching for a negative auto-regulating gene
细胞中导致其最终命运的决定对于细胞功能如增殖、生长、分化、发育和死亡是重要的。了解这一决策过程对于癌症等疾病的治疗进展至关重要。很明显，细胞的潜在基因调控网络和周围环境对功能至关重要。自我阻遏物是一种非常丰富的基因调控基序，并且通常被认为只有一种细胞命运。在这项研究中，我们阐明了通过引入能够结合到自我抑制基因产物（蛋白质）的诱导剂，从而调节相关基因的微环境模拟表观遗传效应对细胞命运的影响。这改变了自我阻遏调节蛋白与其目的DNA的有效调节结合速度，而不改变基因本身。稳态观察和实时监测的自我阻遏表达动态揭示了两种细胞命运的出现，模拟结果与实验结果一致。我们提供了物理和定量的解释两个表型细胞命运的起源。我们发现，两个细胞命运，而不是一个单一的命运，和他们相关的开关动态出现从有效的基因调控强度的变化。量化了开关时间尺度。我们的研究结果揭示了一个新的机制出现的多个细胞命运。这为细胞状态间经常观察到的异质性提供了起源，同时说明了微环境对细胞命运及其决策过程的影响，而无需遗传变化
2017-07-04 q-bio.MN
Towards control of cellular decision-making networks in the epithelial-to-mesenchymal transition
我们从两个角度提出上皮间质转化（EMT）：实验/技术和理论。我们回顾了目前对EMT的调控网络的理解，这些网络在三种生理背景下：胚胎发育、伤口愈合和转移。我们描述了现有的实验系统和操作，用于更好地了解分子参与者和影响EMT和转移的因素。我们审查的调控网络参与EMT的数学模型，特别强调的网络模体（如耦合反馈回路），可以产生中间的混合状态之间的上皮和间充质状态。最终，对这些网络的理解应该转化为控制表型结果的方法，特别是在癌症治疗策略的背景下。我们提出了新兴的理论，如何驱动网络的动态向所需的动态吸引子（如上皮细胞状态）和新兴的合成生物学技术，以监测和控制细胞的状态。
2019-01-18 q-bio.MN
Spatial clustering and common regulatory elements correlate with coordinated gene expression
许多细胞对周围信号的反应需要多个基因的时间协同转录调控。在原核细胞中，具有一个转录因子调控多个靶基因的单输入模块基序可以产生协调的基因表达。在真核细胞中，基因的转录活性不仅受到转录因子的影响，而且还受到基因的表观遗传修饰和三维染色体结构的影响。为了研究局部基因环境和转录因子调控如何偶联，我们对TGF- \b{eta}处理的MCF 10 A细胞的时程RNA-seq数据和相关的表观基因组和Hi-C数据进行了组合分析。使用动态调控事件挖掘器（DREM），我们根据基因表达谱和相关的转录因子对差异表达的基因进行聚类。每类基因具有相似的时间基因表达模式，并共享共同的转录因子。接下来，我们定义了一组线性和径向分布函数，如统计物理学中所使用的，以测量一类基因在基因组序列中的空间和线性分布。值得注意的是，尽管有时沿着基因组序列被数千万个碱基（Mb）分开，但同一类别内的基因显示出比属于不同类别的基因显著更高的空间接近的倾向，尽管有时沿着基因组序列被数十Mb分开。对小鼠神经系统发育过程的分析得出了类似的结论。未来的研究将能够测试染色体的这种空间组织是否有助于协调的基因表达。
2019-01-18 q-bio.GN q-bio.MN q-bio.SC
The role of incoherent microRNA-mediated feedforward loops in noise buffering
MicroRNA是一类内源性非编码RNA，在植物和动物体内负调控蛋白质编码基因的表达。已知它们在若干生物过程中起重要作用，并且与转录因子一起形成复杂且高度互连的调控网络。观察该网络的结构，可以识别出一些代表性过高的基序，这些基序预计将执行重要的基本调节功能。其中，microRNA介导的前馈环发挥着特殊的作用，在该前馈环中，主转录因子调节microRNA，并与其一起调节一组靶基因。在本文中，我们通过分析和模拟表明，该模体的不连贯的版本可以耦合的目标蛋白质水平的微调与有效的噪声控制，从而赋予精度和稳定性的整体基因表达程序，特别是在上游监管机构的波动的存在下。在其他结果中，我们的模型的一个重要预测是，波动的最佳衰减与目标表达的适度抑制相一致。这一特征与预期的微调功能一致，并且与广泛类别的microRNA对其靶蛋白输出的实际影响的实验观察一致。最后，我们描述了如果microRNA介导的电路不被认为是孤立的，而是嵌入在一个更大的监管网络中，那么microRNA靶点之间的串扰对噪声缓冲效率的影响。
2011-09-12 q-bio.MN q-bio.QM
Mean-field vs. stochastic models for transcriptional regulation
我们介绍了一个最小的模型描述的动态转录调控网络。它是在平均场近似下研究的，即，通过代表反应动力学的确定性ODE，以及通过采用Gillespie算法的随机模拟。我们阐明了这两种方法可以提供的不同结果，具体取决于所研究的网络，特别是取决于各自描述中保留的详细程度。两个例子是详细解决：repressilator，一个转录时钟的基础上实现的三个基因网络实验在大肠杆菌。大肠杆菌，和一个双基因电路在外部驱动下，转录网络模体最近提出发挥作用的细胞发育。
2008-08-20 q-bio.MN
Wide-Scale Analysis of Human Functional Transcription Factor Binding Reveals a Strong Bias towards the Transcription Start Site
我们介绍了一种新的方法来筛选一组具有共同生物学功能的基因的启动子，对一个预先编译的基序库，并找到那些基序是统计上过度代表的基因集。从功能基因本体（GO）分类获得基因集;对于每个集和基序，我们独立于每个位置窗口（相对于TSS测量）优化序列相似性得分阈值，考虑到沿着靶基因的启动子的位置依赖性核苷酸异质性。我们进行了高通量分析，搜索超过8000个人类和23，000个小鼠基因的启动子（从TSS下游200 bp到上游1000 bp），用于134个功能基因本体分类和412个已知的DNA基序。当结合人和小鼠之间的结合位点和位置保守性时，该方法以高概率鉴定调节生物学相关基因组的功能性结合位点。我们发现了许多位置敏感的功能结合事件，并表明它们聚集在TSS附近。我们的方法和研究结果进行了几次实验测试。通过允许一个“灵活的”阈值，并结合我们的功能类和位置特异性搜索方法与人类和小鼠之间的保守性，我们能够可靠地识别功能TF结合位点。这是构建调控网络和阐明调控表达的转录调控的设计原则的重要一步。TSS附近的启动子区域对于人类和小鼠的转录调控似乎是至关重要的，就像它在细菌和酵母中一样。
2008-11-08 q-bio.MN q-bio.QM
Bifurcations and multistability in inducible three-gene toggle switch networks
California Institute of Technology（加州理工学院）
本研究探讨了三基因开关网络中效应分子对多稳态动态的影响，揭示了双功能蛋白调控机制对动态行为的关键作用。
2026-02-03 physics.bio-ph q-bio.MN q-bio.SC
MicroRNA Systems Biology
近年来，microRNAs（miRNAs）已成为调控基因表达的重要转录后调节因子。miRNAs调节许多关键的生物学过程，包括细胞生长、死亡、发育和分化。这一发现正在挑战分子生物学的中心法则。基因通过形成细胞网络共同工作。miRNAs通过与细胞网络相互作用发挥其功能已成为一个新兴的概念。因此，了解miRNAs如何在系统水平上参与细胞过程至关重要。本文首先介绍了miRNAs的基本知识及其与心脏疾病和癌症的关系，重点介绍了miRNAs在滤除基因表达噪声等方面的功能。我还将介绍细胞网络的基本概念，并解释它们的生物学意义，使网络概念在生物学背景下消化，并为生物学家所理解。最后，我将总结在系统水平上理解miRNA生物学的最新进展：主要细胞网络包括信号、代谢、蛋白质相互作用和基因调控网络的miRNA调控原理。一个共同的miRNA调控原则正在出现：miRNA优先调控具有高调控复杂性的基因。此外，miRNAs优先调控正调控基序、高度连接的支架和细胞信号网络中最下游的网络成分，而miRNAs则选择性调控代谢网络中具有特定网络结构特征的基因。
2007-12-20 q-bio.GN q-bio.MN
