 |
Специфика объекта моделирования. Построение графических моделей генных сетей.
|
|
|
|
Специфика объекта моделирования
Рассматриваемые системы могут состоять из сотен и тысяч компонентов с очень сложной структурно-функциональной организацией, функционирующей на многих иерархических уровнях живых систем:
1)Биохимический уровень (биохимические процессы и реакции)
2)Генетический уровень (расположение и ориентация генов и регуляторных элементов, регуляция экспрессии генов, матричные ориентированные процессы, полиаллельность и т.д.)
3)Субклеточный и клеточный уровни (компартментализация, процессы межкомпартментного обмена веществами и энергией, активный и пассивный транспорт и т.д.)
4)Органный, тканевой и организменный уровни (сверхкомпартменты, взаимодействие с внешней средой)
5)Популяционный уровень (взаимодействие между особями и с внешней средой, возрастная структура популяции, эволюционные процессы)
В большинстве случаев, эти объекты обладают нелинейным поведением в силу наличия в них отрицательных и положительных обратных связей.
Биологические системы является самовоспроизводящимися динамическими системами.. Особенностью функционирования биологических систем во времени является то, что у них, как правило, в процессе функционирования не остаются постоянными параметры пространственной организации, а также могут меняться характеристики генетического строения.
Факторы изменения пространственной организации строения биологической системы: рост организмов, регенерация органов и тканей, деление и гибель клеток, органелл, размножение организмов, метаморфоз и т.д.
Факторы изменения генетического строения биологической системы: репликация, рекомбинация, мутации, делеции, вставки, деление клеткок, слияние половых клеток, трансгенез, привнесение новых геномов или частей генома путем внедрение в биологическую систему других биологических систем, как то вирусов, бактерий, паразитов, параллельный перенос генетической информации и т.д.
|
|
|
Построение графических моделей генных сетей
Графические модели генных сетей строятся на основе информации, хранящейся в базах данных и базах знаний, но они также могут быть реконструированы на основе данных по экспрессии генов посредством подходов inductive либо reverse engineering.
Для выявления паттернов экспрессии применяются различные алгоритмы кластеризации экспрессионых данных.
Для дополнительной верификации структуры генной сети и выявления мнимых регуляторных связей применяется ряд различных методик:
1. анализ временных запаздываний;
2. проведение экспериментов по возмущению системы
3. картирование коэкспрессирующихся генов на выполнение определеной функции в организме
4. скрининг промоторных областей коэкспрессирующихся генов для выявления одинаковых регуляторных районов.
Методология моделирования в ОХКММ. Формализация в ОХКММ.
Методология моделирования в ОХКММ
1. БИОЛОГИЧЕСКАЯ СИСТЕМА
2. Элементы системы
3. Элементарные процессы
4. Формальное описание элементарных процессов
5. Модели элементов системы
6. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ БИОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
Формализация в рамках ОХКММ осуществляется на основе блочного принципа
• Описание элементарных подсистем проводится в терминах элементарных
процессов
• Основной принцип локальная независимость процессов
• Элементарные процессы описываются на основе формальных блоков
• Формальные блоки однозначно характеризуются упорядоченным списком
формальных динамических переменных, упорядоченным списком
формальных параметров и законом преобразования информации
|
|
|
Верификация параметров математических моделей динамики генных сетей. Основные проблемы.
Верификация параметров математических моделей
динамики генных сетей
Основные проблемы:
• Пробелы в знании структурно-функциональной организации некоторых частей
генных сетей (посредники, механизмы протекания процессов и т.д.);
• Нехватка количественных данных, пригодных для адаптации конкретной
модели;
• В базах данных в основном накапливаются качественная описательная
информация (информация о структурно-функциональной организации генной сети,
механизмы различных процессов, организация регуляторных участков генов и т.д.), а
также количественная информация статического характера (константы
ферментативных реакций, массы белков, длины нуклеотидных последовательностей и
т.д.);
• Рассредоточение кинетических данных в огромном количестве научных
публикаций (слабоструктурированность данных);
• Гетерогенность данных (наборы экспериментальных динамических данных получаются в
своих конкретных условиях, при разных экспериментальных воздействиях в различные
моменты времени и т.д.).
•константы многих ферментативных реакций доступны в базах данных
WIT - http://www-unix.mcs.anl.gov/compbio/
BRENDA - http://brenda.bc.uni-koeln.de/
и т.д.
•константы, характеризующие взаимодействие генной сети с ее клеточным и организменным окружением
- равновесные концентрации;
- времена жизни или полураспада компонентов системы;
- интегральные характеристики;
- т.д.
•константы макропроцессов (репликация, транскрипция, трансляция и т.д.)
а
• Математическая модель генной сети характеризуется набором констант k1
, …,km в системе дифференциальных уравнений
• Как правило, экспериментально измеренные значения известны только для ограниченного числа констант
• Значения остальных констант определяются на основе численного эксперимента
|
|
|
