生物網絡的構建及其拓撲性質的探討.pdf

1、上個世紀中葉，分子生物學的興起揭開了生命科學革命的序幕。經過幾十年努力，現在大家公認21世紀為生物學世紀。隨著“后基因組時代”的到來，人們已經積累了大量的生物信息學數據，改進了高通量生物分析設備(如大規(guī)模光譜儀和基因芯片)發(fā)展了大規(guī)模收集、整合以及挖掘生物信息數據的方法和技巧，這一切使得系統(tǒng)地研究生命活動成為可能。同時，生物學家們已經越來越多認識到，一個生物學功能只依賴單個生物分子的情況幾乎不存在。相反，生物學特性都由構成細胞的多個成員

2、，如蛋白質，DNA，RNA和其他小分子經過一系列復雜的相互作用產生。這些新思想、新技術和新方法導致一種新的生物學的研究方法一系統(tǒng)生物學的誕生。系統(tǒng)生物學研究構成一個生物系統(tǒng)的所有元素的相互作用，而不只是僅僅一次只研究系統(tǒng)的一個元素。也就是說，系統(tǒng)生物學是通過整合的思想來研究整個生物學。系統(tǒng)生物學，著眼與系統(tǒng)以及系統(tǒng)成份之間的相互關系，是一門包含生物信息學、計算生物學、數學建模和統(tǒng)計學的交叉學科，已成為當今生物學研究的熱點。 由于

3、系統(tǒng)生物學建模的模型為復雜網絡，故復雜網絡理論的飛速發(fā)展，標志著系統(tǒng)生物學的研究翻開了新的一頁。近年來，大量的實證表明生物網絡具有以下一些共同的拓撲性質：(1) 它是一個稀疏圖：(2) 具有較小的平均路徑長度L和比同樣節(jié)點和邊數的隨機網絡大的聚類系數C，即小世界性質；(3) 許多生物網絡在度分布上表現為無標度網絡，即它們的度分布滿足冪律分布；(4) 幾乎所有的生物網絡表現出度大的節(jié)點趨向于連接度小的節(jié)點，即有度的負關聯性；(5) 生物網

4、絡具有層次結構，大致上分成節(jié)點、Motifs、功能模塊和網絡四個層次；(6) 生物網絡具有魯棒性。從生物進化論理論的角度來看，生物網絡是生物體經過長期進化得到的，注意到生物進化包含有復制和變異兩個過程，因而可以認為生物網絡的拓撲性質是通過復制和變異在進化過程中形成。從這種思想出發(fā)，近年來出現了許多依據這兩個原則提出了的構造生物網絡的工作，每個工作都描述了上述生物網絡的部分特點。截止到目前的最新的報道，我們都沒有見到解決度的負關聯性這個拓

5、撲結構特點的報道，主要的研究工作是如何由進化論來分析生物網絡度的負關聯這一性質。本文主要就生物網絡的構建及其拓撲性質尤其是度的負關聯性質進行了研究。 第一章，引言部分。主要對系統(tǒng)生物學、復雜網絡以及生物網絡做了介紹，著重介紹了描述復雜網絡的拓撲參數量以及現有實測結果表明的生物網絡的性質。 第二章，根據生物學的復制和變異的基本原理，提出了具有反偏愛復制特性的一種蛋白質作用網絡的新的演化模型。數值模擬表明：網絡與實測的蛋白質

6、作用網絡的某些拓撲性質能夠很好的吻合。著重討論生物網絡的一個重要的拓撲性質-度的負關聯性。為了弄清楚度的負關聯性與基本生物準則的相互關系，并進一步研究生物網絡中度的負關聯性質的起因，給出了一個隨機復制模型和一個反偏愛復制模型。結果表明：通過這兩種復制機制，都能從初始的中性網絡得到具有度的負關聯性質的網絡(即負關聯網絡)，而且隨著網絡規(guī)模的增長負關聯性越來越明顯。復制能夠使得網絡朝著負關聯網絡發(fā)展，反偏愛模型會加強這種變化趨勢。