The effect of negative feedback loops on the dynamics of Boolean networks
动态网络中的反馈回路在确定该网络的动态方面起着重要作用。通过计算研究，在本文中，我们表明，具有较少的独立负反馈回路的网络往往比具有更多负回路的网络表现出更有规律的行为。更确切地说，我们研究了动态布尔网络相空间中独立反馈环的数目与极限环的数目和长度之间的关系。我们发现，作为独立的负反馈回路的数量增加，极限环的数量（长度）趋于减少（增加）。这些结论与某些自然生物网络的事实是一致的，即它们一方面表现出一般规律的行为，另一方面比具有相同节点数和连通性的随机网络显示出更少的负反馈回路。
2007-11-20 q-bio.MN q-bio.QM
Transcription and noise in negative feedback loops
最近，一些研究已经调查了与特定的遗传调控网络相关的转录过程。在这项工作中，我们提出了一个随机的方法来分析动态和负反馈环（FBL）的转录噪声的影响。首先，我们的分析使我们能够确定一个双峰活动的强度依赖于自阻遏耦合D。在强偶联区域D>>1中，发现转录噪声的方差比先前描述的降低了28%以上。其次，当计算变异系数时，噪声效应对调节蛋白丰度的贡献变得明显。在强耦合区，这个系数被发现是独立的所有参数和公平的协议与实验观察值。最后，我们的分析表明，在强耦合区的内在和外部噪声显着诱导的调节蛋白。简而言之，这表明FBL中固有噪声的存在使得即使阻遏水平D非常强也可以产生基础量的蛋白质。
2007-08-02 q-bio.MN
Integral feedback in synthetic biology: Negative-equilibrium catastrophe
合成生物学的一个中心目标是设计分子控制器，以稳定和准确的方式操纵细胞内网络的动力学。为了解决细胞内网络的详细知识是不可用的，积分反馈控制器（IFC）已被提出用于控制分子丰度的事实。这些控制器可以保持精度，尽管在受控网络的不确定性。然而，只有在保持稳定性的情况下，才能实现这种理想的特征。在本文中，我们表明，分子IFC可以遭受一个危险的不稳定性称为负平衡灾难（NEC），即所有的非负平衡消失的作用下的控制器，和一些分子丰度炸毁。我们表明，单分子IFC不存在由于NEC。然后，我们推导出一个家庭的双分子国际金融公司的不确定的单分子网络时，任何数量的分子物种，受到控制，对NEC的保障。然而，当IFC应用于不确定的双分子（因此大多数细胞内）网络，我们表明，防止NEC一般成为一个棘手的问题，相互作用的分子物种的数量增加。
2021-05-01 q-bio.MN
A simple negative interaction in the positive transcriptional feedback of a single gene is sufficient to produce reliable oscillations
负和正转录反馈环存在于天然和合成的遗传振荡器中。具有负转录反馈的单个基因在反馈信号的传递中需要时间延迟和足够强的非线性，以便产生生物化学节律。只有正的转录反馈的单个基因不会产生振荡。在这里，我们证明了这种单基因网络与简单的负相互作用相结合也可以很容易地产生节奏。我们研究了一个由两个分化良好的部分组成的模型。第一种是正反馈，由蛋白质与自身基因的启动子结合并激活转录。第二种是负相互作用，其中阻遏物分子阻止该蛋白质与其启动子结合。随机研究表明，该系统对噪声具有鲁棒性。确定性研究表明，振荡器的动力学主要由两种类型的生物分子驱动：蛋白质，以及由阻遏物和该蛋白质形成的复合物。本文的主要结论是，一个简单而常见的负相互作用，如降解，螯合或抑制，作用于一个单一的基因的正转录反馈是一个充分的条件，产生可靠的振荡。一个基因就足够了，正转录反馈信号不需要激活第二个阻遏基因。这意味着在遗传水平上，明确的负反馈回路是不必要的。该模型既不需要合作的结合反应，也不需要蛋白质多聚体的形成。因此，我们的研究结果可能有助于阐明细胞时钟的设计原理，并构成一个新的有效的工具，工程合成的遗传振荡器。
2011-12-22 q-bio.MN q-bio.QM
Structure and function of negative feedback loops at the interface of genetic and metabolic networks
生物体中的分子网络由转录/翻译调节、蛋白质相互作用/修饰和代谢网络组成，共同形成允许细胞对存在于其环境中的多种信号分子敏感地响应的系统。因此，整个分子调控系统的一个关键部分是遗传和代谢网络之间的界面。在这个界面上经常出现的基序是用于调节信号分子水平的负反馈环。在这项工作中，我们使用数学模型来研究不同的负反馈回路的稳态和动态行为。特别是，我们发现，信号分子不引起转录因子从DNA中解离的反馈环比分子通过隔离转录因子从DNA中分离的反馈环反应更快。我们使用了三个例子，E.大肠杆菌，以说明这种反馈回路的行为。
2006-04-24 cond-mat.other q-bio.MN
Moment Closure Approximations in a Genetic Negative Feedback Circuit
自调节是蛋白质负调节其自身产生的过程，是基因表达网络中的常见基序。基因表达中的负反馈在缓冲细胞内蛋白质浓度在最佳值附近的波动中起关键作用。由于这些反馈中存在的非线性，矩动态通常不是封闭的，在这个意义上，蛋白质拷贝数的低阶统计矩的时间导数取决于高阶矩。通过将高阶矩表示为低阶矩的非线性函数来闭合矩方程，这种技术通常称为矩闭合。在这里，我们比较不同的时刻关闭技术的性能。我们的研究结果表明，常用的封闭方法，它假定先验的蛋白质群体计数是正态分布，表现不佳。与此相反，条件导数匹配，一种新的封闭方案，这里提出了一个很好的近似跨不同的参数制度的确切时刻。总之，我们的研究为研究基因负反馈电路的随机动力学提供了一种新的矩封闭方法，并可以推广到更复杂的基因网络中探测噪声。
2014-05-15 q-bio.MN q-bio.SC
Identification of network motifs capable of frequency-tunable and robust oscillation
振荡在生物动力学系统如昼夜节律和真核细胞周期中具有重要作用。约翰·泰森等。等人在Nature Review Mol Cell Biol 2008中研究了由三个节点和四个或更少的边组成的有限数量的网络拓扑，并确定了生物化学振荡的网络设计原理。Tsai et.等人在Science 2008中研究了三种不同的网络模体，即负反馈回路、耦合负反馈回路以及耦合正反馈回路和负反馈回路，并且发现互连的正反馈回路和负反馈回路能够产生频率可调的振荡。我们列举了249个拓扑上唯一的网络架构，包括三个节点和至少三个循环抑制边，并确定三个功能组之间的网络架构共性：（1）最频率可调但不太鲁棒的振荡器，（2）最少的频率可调和最不鲁棒的振荡器，（3）频率可调但最鲁棒的振荡器。我们发现，频率可调网络不能同时表现出高鲁棒性，表明频率可调性和鲁棒性之间的权衡。
2011-10-13 q-bio.MN
Gene expression noise is affected differentially by feedback in burst frequency and burst size
在单个细胞内，基因的表达在从细菌到人类细胞的生物体中是随机的。随机表达的一个普遍存在的特征是基因产物的爆发式合成，这在同基因细胞群中驱动蛋白质水平的相当大的细胞间变异。细胞控制这种随机性的一种常见机制是负反馈调节，其中蛋白质抑制其自身的合成。对于以爆发形式表达的单个基因，负反馈可以影响爆发频率或爆发大小。为了比较这些反馈类型，我们研究了自我调节基因的基因表达的分段确定性模型。数学上易于处理的稳态蛋白质分布的推导和用于比较两个反馈的噪声抑制能力。结果表明，在低噪声区，两种反馈的噪声缓冲能力是相似的。有趣的是，在高噪声状态下，突发大小的反馈优于突发频率的反馈。最后，我们讨论了细胞实施反馈以在单细胞水平控制表达蛋白质爆发大小的各种调节策略。
2016-09-11 q-bio.MN
Boolean Network Approach to Negative Feedback Loops of the p53 Pathways: Synchronized Dynamics and Stochastic Limit Cycles
建立了p53通路负反馈环动力学的确定性和随机布尔网络模型。结果表明，p53通路中负反馈的主要功能是保持p53在一个较低的稳态水平，并且负反馈回路中的每一个蛋白质状态序列在受到外界信号（如DNA损伤）的扰动后，都被全局吸引到p53动力学的一个闭合循环中。我们的理论和数值研究表明，生物定态和扰动后的生物振荡在很宽的噪声水平范围内都是稳定的。应用马尔可夫链的数学循环理论，研究了它们的随机同步动力学，通过比较随机模型的网络动力学和相应的确定性网络动力学，发现随机模型中的一个主导循环是确定性系统中确定性极限环的自然推广.此外，在功率谱中的主峰的周期，这是在常用的同步动力学的特征，完美地对应于主循环中的状态的数量与占主导地位的循环。主导主循环和其余循环之间循环幅度的如此大的分离会引起随机同步现象。
2009-04-15 q-bio.MN q-bio.SC
Negative-feedback self-regulation contributes to robust and high-fidelity transmembrane signal transduction
我们提出了一个跨膜细胞信号转导的最小基序模型。该模型假设信号事件发生在空间分布的纳米团簇的出生/死亡动态调节。这些时空方面的组合可以被调节以提供鲁棒和高保真的响应行为，而无需调用信号传导过程的复杂建模作为级联反应和微调参数的序列。我们的研究结果表明，事实上，分布式信号事件发生在纳米团簇与有限的寿命由本地生产调节是足够的，以获得一个强大的和高保真的响应。
2013-04-20 q-bio.CB q-bio.MN
Stochastic focusing coupled with negative feedback enables robust regulation in biochemical reaction networks
自然界呈现了许多有趣的例子，这些过程以高精度和规律性进行。这种显著的稳定性经常与建模者在低拷贝数情况下化学反应的固有随机性的经验相反。此外，噪声和非线性的影响可能导致“反直觉”行为，如可以显示随机聚焦（SF）的基本酶促反应方案所示。在快速信号波动的假设下，SF已被证明将分级响应转换为阈值机制，从而衰减信号噪声的有害影响。然而，当快速波动假设被违反时，这种灵敏度的增益通常是以非常大的产品方差为代价获得的，这种不可预测的行为可能是一种可能的解释，为什么在其引入十多年后，SF仍然没有在真实的生化系统中观察到。在这项工作中，我们探讨了一个简单的酶反应机制与一个小的和波动的数量的活性酶，作为一个高增益，嘈杂的放大器，由于慢酶波动引起的SF的行为的噪声特性。然后，我们表明，列入一个合理的负反馈机制，把系统从一个嘈杂的信号检测器到一个强大的稳态机制，通过交换高增益与强衰减输出噪声和鲁棒性参数变化。此外，我们观察到，随机聚焦系统的确定性和随机描述之间的差异，在演变的手段几乎完全消失，尽管非常低的分子计数和额外的非线性，由于反馈。这里考虑的反应机制可以提供一个可能的解决方案，内在噪声和高精度之间的明显冲突，在关键的细胞内过程。
2015-09-29 q-bio.MN
Single-cell stochastic gene expression kinetics with coupled positive-plus-negative feedback
在这里，我们研究单细胞随机基因表达动力学的最小耦合基因电路与正负反馈。随着正反馈和负反馈强度之比的增加，系统出现了三相随机分岔，揭示了正反馈环和负反馈环之间的协同作用.我们发现，耦合正加负反馈放大基因表达的平均值，但减少基因表达噪音在很宽的反馈强度范围内，启动子开关是相对缓慢的，稳定基因表达在一个相对较高的水平。此外，我们还研究了离散化学主方程模型的两种宏观极限：Kurtz极限适用于具有大爆发频率的蛋白质，Lévy极限适用于具有大爆发尺寸的蛋白质。我们推导了离散模型及其两个宏观极限的耦合基因电路中蛋白质丰度的分析稳态分布，推广了[Chaos 26：043108，2016]中获得的结果。我们还得到了经典的Friedman-Cai-Xie随机爆发模型的解析的时间依赖的蛋白质分布[Phys. Rev. Lett. 97：168302，2006]。我们的分析结果进一步应用于研究耦合基因电路中基因表达噪声的结构，并提供了一个完整的分解噪声的五个不同的生物物理来源。
2019-10-25 math.PR physics.bio-ph q-bio.MN
Negative autoregulation controls size scaling in confined gene expression reactions
通过转录-翻译的基因表达是维持生物系统的最基本的反应，而像这样的复杂反应发生在活细胞的小隔间中。越来越多的证据表明，t物理效应，如分子拥挤或转录-翻译机制的排斥体积效应，影响反应产物的产率。另一方面，在mRNA合成期间控制基因表达的转录反馈也是调节细胞中蛋白质合成的重要机制。然而，空间约束对反馈调节的排除体积效应还没有得到很好的理解。在这里，我们使用理论模型研究了限制效应对基因表达反应的转录自动调节反馈的影响。分子和膜界面之间的排斥体积效应抑制了小细胞大小的隔室中的基因表达。我们发现，在转录步骤的负反馈调节减轻了这种大小诱导的基因抑制，并改变了基因表达水平的标度关系室体积，接近没有空间效应的常规标度关系。这种恢复正常的大小缩放的基因表达不出现在正反馈调节，这表明负的自动调节反馈是至关重要的保持反应产物恒定，无论在异质性细胞群体的隔室大小。
2022-04-11 physics.bio-ph q-bio.MN
A dichotomy for a class of cyclic delay systems
本文考虑了一类时滞循环负反馈系统的两种互补分析。第一个分析应用了Sontag，Angeli，Enciso和其他人关于负反馈下单调控制系统的工作，它意味着对任意时滞的平衡点的全局吸引力。第二个问题是关于时滞参数的Hopf分支的存在性，它意味着对于特殊的时滞值存在非常数周期解。一个关键的想法是使用的施瓦茨导数，其应用研究的米氏非线性。正反馈的情况下，也解决了。
2006-01-11 q-bio.MN
Noise control in gene regulatory networks with negative feedback
基因和蛋白质通过复杂的生化反应回路调节细胞功能。这些调控网络的组件中的波动导致噪声，该噪声总是破坏信号，可能损害功能。在这里，我们创建了一个实用的形式主义的基础上介绍的想法维纳和Kolmogorov（WK）的过滤噪声在工程通信系统，以定量评估在何种程度上可以控制噪声的生物过程中，涉及负反馈。应用的理论，再现了先前证明的缩放的信号事件的数量方面的噪声抑制的下限，表明四环素抑制剂为基础的负调控基因电路的行为作为WK过滤器。对于类Hill-like非线性调节函数，这种类型的滤波器提供了最佳的噪声降低。我们的理论方法可以很容易地结合实验测量的响应函数在各种各样的遗传电路，阐明生物网络最小化噪声的一般原则。
2016-03-08 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.MN
Nonlinearity arising from noncooperative transcription factor binding enhances negative feedback and promotes genetic oscillations
我们研究了基因振荡器启动子中多个结合位点的影响。我们评估了在没有合作结合的情况下具有多个结合位点的启动子的调节功能，并考虑了不同的假设如何结合阻遏物的数量影响转录速率。有效的希尔指数的调节功能揭示了增加的非线性反馈的结合位点的数量。我们确定最佳配置，最大限度地提高反馈的非线性。我们使用一个通用的生化振荡器模型表明，这种增加的非线性反映在增强的振荡，更大的振幅在更宽的振荡范围。虽然这项研究的动机是斑马鱼分段时钟的遗传振荡，但我们的发现可能揭示了基因调控的一般原则。
2014-12-18 nlin.AO physics.bio-ph q-bio.MN
Negative feedback and oscillations in a model for mRNA translation
Tel Aviv University（特拉维夫大学）；University of Bayreuth（拜罗伊特大学）
本文研究了mRNA翻译模型中负反馈机制对核糖体流和蛋白质生产周期性的影响。
2025-08-21 q-bio.MN q-bio.QM
Oscillations in I/O monotone systems under negative feedback
振荡行为是许多生物系统的关键特性。输入输出单调系统的小增益定理（SGT）提供了平衡点全局渐近稳定的充分条件，因此它的破坏是周期解存在的必要条件。使用单调SGT技术的一个优点是它对所有扰动的鲁棒性，这些扰动保持了非常低维（在许多有趣的例子中，只有一维）模型简化的单调性和稳定性。这种鲁棒性使得该技术在分子生物学模型的分析中是有用的，其中关于动力学和其他参数的值存在很大的不确定性。然而，验证应用SGT所需的条件并不总是容易的。本文提供了一种方法来验证所需的属性，并说明了通过应用程序的昼夜节律振荡的经典模型的方法，作为一个非平凡的“案例研究”，也提供了一个定理，在相反的方向预测振荡时，SGT条件失败。
2007-01-14 q-bio.MN q-bio.QM
Messenger RNA Fluctuations and Regulatory RNAs Shape the Dynamics of Negative Feedback Loop
简单调控网络的单细胞实验与细胞群体实验有显著不同。这种差异是由单个细胞中的随机事件引起的，这些随机事件在细胞群体中被平均化。例如，虽然单个细胞可能显示出某些蛋白质浓度的持续振荡，但这种振荡可能在群体平均值中表现出阻尼。在本文中，我们研究的作用RNA随机波动作为一个主导力量，产生一个持续的兴奋行为在单细胞水平。反对以前的一些模型，我们建立了一个完全随机模型的负反馈回路，明确考虑到RNA的随机动力学。我们发现信使RNA的随机波动可以在翻译过程中被放大，并产生持续的蛋白质表达脉冲。受最近对非编码调节RNA在转录后调节中的重要性的认识的启发，我们也考虑了调节RNA转录本可以与信使RNA结合并抑制翻译的可能性。我们的研究结果表明，调节转录有助于减少基因表达的变异性在单细胞水平和细胞群体水平。
2010-07-27 physics.bio-ph q-bio.BM q-bio.MN
