50、果蝇体节极性基因网络的布尔建模与功能拓扑分析

果蝇体节极性基因网络的布尔建模与功能拓扑分析

1. 基因调控网络模型概述

基因调控网络的建模方法大致可分为离散状态和连续状态两种主要类型。
- 离散状态方法 ：每个网络节点（mRNA 或蛋白质）被假定具有少量离散状态，节点之间的调控相互作用由类似于编程中使用的逻辑函数描述。通常时间也被量化，描述基因产物如何相互作用以确定下一个时间状态的网络模型会产生一个离散动态系统。
- 连续状态方法 ：mRNA 和蛋白质的水平被假定为时间的连续函数，它们的演化通过具有质量作用动力学或其他速率定律的微分方程来建模，用于描述所有组件的产生和衰减。为了与通常的开/关类型实验基因表达谱进行比较，连续浓度使用阈值转换为二进制变量。

本文聚焦于与 Hans Othmer 合作开发的体节极性基因的最新模型。在该模型中，我们专注于体节极性基因的产物（mRNA、蛋白质），从实验数据重建这些组件之间的相互作用网络，并假设这些相互作用可以表示为布尔函数。模型的动态行为总是导致稳态，并且这些稳态与野生型和突变型果蝇胚胎的基因表达模式的实验数据非常吻合。此外，该模型揭示了该网络的功能，最重要的是网络拓扑是鲁棒性的主要来源。

2. 果蝇体节极性基因网络

果蝇胚胎模式形成涉及的基因以及它们之间的大多数相互作用已为人所知。果蝇的身体由节段组成，这些节段中成年细胞类型的确定由大约 40 个基因控制，这些基因以基因家族的层次级联方式组织。这些基因家族在胚胎发育的连续阶段表达，并且具有空间表达模式，该模式逐渐更精确地定义。大多数这些基因仅短暂起作用，而体节极性基因在果蝇的整个生命周期中表达，并且它们的周期性空间模