×

用常微分方程描述的生化模型中的参数不确定性。 (英语) Zbl 1283.92046号

摘要:提高对生化网络的机械理解是系统生物学的主要目标之一。计算建模允许集成各种实验数据源,以便以定量的方式测试这种概念理解。计算建模的目的是获得复杂现象的预测模型和解释模型,从而以不同的细节水平提供有用的现实近似。随着描述不同系统所需的复杂性的增加,确定此类预测的准确度的必要性也在增加。尽管努力为该领域提供不确定性分析工具,但这些方法尚未在系统生物学领域得到广泛应用。此外,不同方法的适用性在很大程度上取决于所调查的问题和系统。本综述介绍了一些可用的技术,并概述了参数不确定性分析的最新方法。

MSC公司:

92立方厘米 系统生物学、网络
92C40型 生物化学、分子生物学
34C60个 常微分方程模型的定性研究与仿真
PDF格式BibTeX公司 XML格式引用
全文: 内政部

参考文献:

[1] 韦斯特霍夫,H。;Palsson,B.,《分子生物学向系统生物学的进化》,《自然生物技术》,22,10,1249(2004)
[2] 布鲁格曼,F。;Westerhoff,H.,系统生物学的本质,微生物学趋势,15,1,45(2007)
[3] 周一岳。;Voit,E.,《生物化学和基因组系统参数估计和结构识别的最新进展》,《数学生物科学》,219,2,57(2009)·Zbl 1168.92019号
[4] 沃伊特,E。;Neves,A。;Santos,H.,《系统生物学错综复杂的一面》,《国家科学院学报》,103,25,9452(2006)
[5] van Riel,N.A.W.,《生化网络的动态建模和分析:基于机制的模型和基于模型的实验》,《生物信息学简报》,第7、4、364页(2006)
[6] Swameye,我。;米勒,T。;Timmer,J。;O·桑德拉。;Klingmüller,U.,通过基于数据的建模确定核质循环作为细胞信号传递的遥感器,国家科学院学报,100,31028(2003)
[7] 贝克尔,V。;席林,M。;巴赫曼,J。;美国鲍曼。;Raue,A。;Maiwald,T。;Timmer,J。;Klingmuller,U.,《覆盖广泛的动态范围:促红细胞生成素受体的信息处理》,《科学信号》,32859841404(2010)
[8] Liepe,J。;巴恩斯,C。;库勒,E。;Erguler,K。;柯克,P。;Toni,T。;Stumpf,M.,《支持GPU的Python中ABC-SysBioalimative贝叶斯计算》,生物信息学,26,14,1797(2010)
[9] 维舍米尔斯基,V。;Girolma,M.,《生物贝叶斯:系统生物学中贝叶斯推理的软件包》,生物信息学,24,17,1933(2008)
[10] Vanlier,J。;Tiemann,C。;Hilbers,P。;van Riel,N.,《预测不确定性分析的综合策略》,生物信息学,28,8,1130(2012)
[11] Maiwald,T。;Timmer,J.,《波特车轮的动态建模和多实验拟合》,生物信息学,24,182037(2008)
[12] Gutenkunst,R.N。;瀑布,J.J。;凯西,F.P。;Brown,K.S。;Myers,C.R。;Sethna,J.P.,《系统生物学模型中的普遍草率参数敏感性》,公共科学图书馆计算生物学,3,10,e189(2007)
[13] Kreutz,C。;Raue,A。;Timmer,J.,基于似然的动态模型预测的可观测性分析和置信区间,BMC系统生物学,6,1,120(2012)
[14] Hasenauer,J。;Waldherr,S。;Wagner,K。;Allgower,F.,使用半定规划的生物网络模型的参数识别实验设计模型伪造,系统生物学,IET 4,21119(2010)
[15] Cedersund,G。;Roll,J.,《系统生物学:基于模型的评估和给定生物数据潜在解释的比较》,FEBS期刊,276,4,903(2009)
[16] 蒂曼,C。;Vanlier,J。;Hilbers,P。;van Riel,N.,进行性疾病表型转换过程中的参数适应,BMC系统生物学,5,1174(2011)
[17] 利拉奇,G。;Khammash,M.,计算生物学中的参数估计和模型选择,《公共科学图书馆·计算生物学》,6,3,e1000696(2010)
[18] 蒋,N。;考克斯·R。;Hancock,J.,胰腺(β)细胞葡萄糖刺激胰岛素分泌网络的动力学核心模型,《哺乳动物基因组》,18,6,508(2007)
[19] Jeneson,J。;韦斯特霍夫,H。;Kushmerick,M.,收缩骨骼肌中atp自由能代谢动力学控制的代谢控制分析,美国生理学杂志-细胞生理学,279,3,C813(2000)
[20] Wu,F。;Jeneson,J。;Beard,D.,骨骼肌中的氧化atp合成受底物反馈控制,《美国生理学-细胞生理学杂志》,292,1,C115(2007)
[21] 格伦恩达尔,W。;施密特,K。;冯·巴苏姆,G。;van Riel,N。;Hilbers,P.,《人体皮肤中葡萄糖和水动力学建模》,糖尿病技术与治疗,10,4,283(2008)
[22] 巴赫曼,J。;Raue,A。;席林,M。;贝克尔,V。;Timmer,J。;Klingmüller,U.,《癌症信号通路的预测数学模型》,《内科杂志》,271,2155(2012)
[23] 米勒,T。;费勒,D。;Timmer,J。;斯瓦梅耶,I。;O·桑德拉。;Klingmüller,U.,《信号通路中的自行车测试》,《皇家统计学会杂志:C辑,53,4557》(2004),(应用统计学)·Zbl 1111.62357号
[24] 布伦马克,C。;Palmér,r。;格拉德,S。;Cedersund,G。;Strálfors,P.,《通过受体内吞作用的质量和信息反馈控制胰岛素信号传导》,《生物化学杂志》,285,26,20171(2010)
[25] Klinke,D.,《细胞信号网络基于模型推理的经验贝叶斯方法》,BMC生物信息学,10,1,371(2009)
[26] 芬利,S。;古普塔,D。;Cheng,N。;Klinke,D.,推断幼稚cd4&plus中白细胞介素-12信号传导的相关控制机制;t细胞,免疫学和细胞生物学,89,1100(2010)
[27] 科努科格鲁,E。;雷伦,J。;美国锡林吉尔。;门兹,B。;Chinchapatnam,P。;贾迪迪,A。;Cochet,H。;霍奇尼,M。;Delingette,H。;Jaís,P.,《整合数据和参数不确定性的高效概率模型个性化:在心脏电生理中的eikonal-difference模型应用》,《生物物理和分子生物学进展》,107,1,134(2011)
[28] 徐,T。;维舍米尔斯基,V。;Gormand,A。;von Kriegsheim,A。;Girolma,M。;Baillie,G。;凯特利,D。;邓洛普,A。;米利根,G。;Houslay,M.,《从特定生物化学物种的多重扰动测量推断信号通路拓扑》,《科学信号》,3,113,ra20(2010)
[29] 霍姆斯,G。;安德森,S。;Dixon,G。;罗伯逊,A。;Reyes-Aldasoro,C。;比林斯,S。;伦肖,S。;卡迪尔卡马纳桑,V。;伤口,被排斥在外,还是随意散开?中性粒细胞的反向迁移行为,以动态模型为特征,《皇家学会界面杂志》,9,77,3229-3239(2012)
[30] Taylor,H。;巴恩斯,C。;Huvet,M。;Bugeon,L。;Thorne,T。;兰姆,J。;Dallman,M。;Stumpf,M.,使用近似贝叶斯计算校准白细胞动力学的时空模型,《综合生物学》,4,3,335(2012)
[31] 丝绸,D。;柯克,P。;巴恩斯,C。;Toni,T。;Rose,A。;Moon,S。;Dallman,M。;Stumpf,M.,通过混沌和振荡动力学状态的自动识别设计有吸引力的模型,自然通讯,2489(2011)
[32] 马科尔,S。;Quake,S.,《测量转录因子结合能景观的系统方法》,《科学》,3155809233(2007)
[33] Barabási,A。;Oltvai,Z.,网络生物学:理解细胞的功能组织,《自然评论遗传学》,5,2101(2004)
[34] Voit,E。;Almeida,J.,从代谢谱中识别路径的解耦动力系统,生物信息学,20,11,1670(2004)
[35] 特乌辛克,B。;帕萨奇,J。;Reijenga,C。;Esgalhado,E。;范德魏登,C。;Schepper,M。;沃尔什,M。;贝克,B。;van Dam,K。;Westerhoff,H.,酵母糖酵解能从组成酶的体外动力学方面理解吗?《测试生物化学》,《欧洲生物化学杂志》,267,17,5313(2000)
[36] Raue,A。;Kreutz,C。;Maiwald,T。;巴赫曼,J。;席林,M。;Klingmüller,美国。;Timmer,J.,利用剖面可能性对部分观测到的动力学模型进行结构和实际可识别性分析,生物信息学,25,15,1923(2009)
[37] Girolma,M。;Calderhead,B.,黎曼流形朗之万和哈密尔顿蒙特卡罗方法,皇家统计学会杂志:B辑,73,2,123(2011),(统计方法学)·Zbl 1411.62071号
[38] Calderhead,B。;Girolma,M.,《使用微分几何抽样方法对非线性动力系统进行统计分析》,《界面焦点》,1,6,821(2011)
[39] Hartman,P.,《常微分方程》,第38卷(1987年),工业和应用数学学会·Zbl 0125.32102号
[40] Hale,J.K。;Lunel,S.M.V.,《泛函微分方程导论》,第99卷(1993),施普林格出版社·Zbl 0787.34002号
[41] 赫希,M.W。;Smale,S.,《微分方程动力学系统和线性代数》,第60卷(1974年),学术出版社·Zbl 0309.34001号
[42] Hindmarsh,A。;布朗,P。;格兰特,K。;Lee,S。;塞尔维亚人,R。;Shumaker,D。;Woodward,C.,SUNDIALS:非线性和微分/代数方程求解器套件,ACM数学软件汇刊,31,3,363(2005)·兹比尔1136.65329
[43] 施密茨,J。;Van Riel,N。;尼古拉,K。;Hilbers,P。;Jeneson,J.,《肌肉糖酵解的沉默:实验观察和数值分析》,《实验生理学》,95,2,380(2010)
[44] 席林,M。;Maiwald,T。;Hengl,S。;冬季,D。;Kreutz,C。;科尔奇,W。;莱曼,W。;Timmer,J。;Klingmüller,U.,《理论和实验分析将异构体特异性ERK信号与细胞命运决定联系起来》,分子系统生物学,5,1,334(2009)
[45] 北卡罗来纳州鲍里索夫。;Aksamitiene,E。;基亚特金,A。;Legewie,S。;伯克霍特,J。;Maiwald,T。;Kaimachnikov,N。;Timmer,J。;霍克,J。;Kholodenko,B.,胰岛素-EGF网络之间的系统级相互作用放大有丝分裂信号,分子系统生物学,5,1,256(2009)
[46] Cedersund,G。;罗尔,J。;乌尔夫希姆,E。;Danielsson,A。;潮汐带,H。;Strálfors,P.,胰岛素信号初始阶段关键机制的基于模型的假设测试,《公共科学图书馆·计算生物学》,4,6,799(2008)
[47] Koschorreck,M。;Gilles,E.,体内胰岛素清除的数学建模和分析,BMC系统生物学,2,1,43(2008)
[48] 斯科贝尔,B。;埃希勒·琼森,C。;Gilles,E。;Müller,G.,由表面和内部化EGF受体激活的MAP激酶级联动力学的计算模型,《自然生物技术》,20,4,370(2002)
[49] Kreutz,C。;罗德里格斯,M。;Maiwald,T。;塞德尔,M。;布鲁姆,H。;莫尔,L。;Timmer,J.,蛋白质定量的误差模型,生物信息学,23,20,2747(2007)
[50] 维舍米尔斯基,V。;Girolma,M.,生物化学系统模型的贝叶斯排名,生物信息学,24,6,833(2008)
[51] 盖尔曼,A。;Bois,F。;蒋,J.,使用人口建模和信息先验分布进行生理药代动力学分析,美国统计协会杂志,91,436,1400(1996)·Zbl 0882.62103号
[52] Jeffreys,H.,估计问题中先验概率的不变形式,伦敦皇家学会论文集。A辑,数学和物理科学,1861007453-461(1946)·Zbl 0063.03050号
[53] 鼹鼠,C.G。;门德斯,P。;Banga,J.R.,《生物化学途径中的参数估计:全局优化方法的比较》,《基因组研究》,13,11,2467(2003)
[54] 阿希拉利耶夫,M。;Fomekong-Nanfack,Y。;Kaandorp,J。;Blom,J.,《系统生物学:生物化学模型的参数估计》,FEBS杂志,276,4,886(2009)
[55] Zhang,Y。;Rundell,A.,《系统生物学》,153,4201(2006)
[56] 哈夫纳,M。;Koeppl,H。;哈斯勒,M。;Wagner,A.,《昼夜节律振荡器的全球稳健性分析和模型识别》,《公共科学图书馆·计算生物学》,5,10,e1000534(2009)
[57] Bentele,M。;拉夫里克,I。;乌尔里奇,M。;Stösser,S。;Heermann,D。;Kalthoff,H。;Krammer,P。;Eils,R.,《数学模型揭示cd95诱导凋亡的阈值机制》,《细胞生物学杂志》,166,6839(2004)
[58] Cho,K。;Shin,S。;科尔奇,W。;Wolkenhauer,O.,基于蒙特卡罗方法参数敏感性分析的系统生物学实验设计:肿瘤坏死因子介导的nf-κb信号转导途径的案例研究,模拟,79,12,726(2003)
[59] Zi,Z。;Cho,K。;Sung,M。;夏,X。;郑洁。;Sun,Z.,ifn-(γ)诱导的jak-stat信号通路中关键成分和步骤的电子鉴定,FEBS Letters,579,5,1101(2005)
[60] 菲利普·A。;Roussa,G.,独立非同分布情况下最大似然估计的渐近正态性,统计数学研究所年鉴,27,1,45(1975)·Zbl 0359.62016年
[61] Schaber,J。;Klipp,E.,微生物信号转导网络的生化参数和动态特性的基于模型的推断,《生物技术的当前观点》,22,1,109(2011)
[62] 安格洛娃,M。;Cedersund,G。;约翰逊,M。;弗朗茨坦,C。;温伯格,B.,《生物化学模型中速率表达式的守恒定律和不可识别性》,IET系统生物学,1,4,230(2007)
[63] 奇斯,O.-T。;班加,J.R。;Balsa-Canto,E.,《系统生物学模型的结构可识别性:方法的关键比较》,《公共科学图书馆·综合》,6,11,e27755(2011)
[64] Raue,A。;克鲁茨,C。;泰斯,F。;Timmer,J.,贝叶斯方法论和频率学家方法论的合力:在不可识别性存在下的推理研究,皇家学会哲学学报a,371(1984),2012)20110544·Zbl 1353.62013年
[66] 柯克,P.D.W。;Stumpf,M.P.H.,《高斯过程回归自举:探索时间进程数据中不确定性的影响》,生物信息学,25,10,1300(2009)
[67] 乔希,M。;塞德尔·莫根斯坦,A。;Kremling,A.,利用bootstrap方法量化动力学系统中的参数置信区间,代谢工程,8,5,447(2006)
[68] DiCiccio,T。;Efron,B.,Bootstrap置信区间,统计科学,189(1996)·Zbl 0955.62574号
[69] Calderhead,B。;Girolma,M.,通过热力学积分和总体MCMC估算贝叶斯因子,计算统计与数据分析,53,12,4028(2009)·Zbl 1453.62055号
[70] Efron,B.,非参数标准误差和置信区间,加拿大统计杂志,9,2,139(1981)·Zbl 0482.62034号
[71] 埃夫隆,B。;Efron,B.,《杰克尼夫、引导和其他重新采样计划》,第38卷(1982年),SIAM·Zbl 0496.62036号
[72] DiCiccio,T。;Tibshirani,R.,Bootstrap置信区间和Bootstrap近似,美国统计协会杂志,82397163(1987)·Zbl 0622.62040号
[73] Diciccio,T。;Romano,J.,《自举置信区间综述》,《皇家统计学会杂志》。B系列,338(1988),(方法学)·Zbl 0672.62057号
[74] Geyer,C.,实用马尔可夫链蒙特卡罗,统计科学,473(1992)
[76] Cowles,M.K。;Carlin,B.P.,《马尔可夫链蒙特卡罗收敛诊断:比较综述》,《美国统计协会杂志》,91,434,883(1996)·Zbl 0869.62066号
[77] Jasra,A。;斯蒂芬斯(D.Stephens)。;Holmes,C.,《关于基于人口的静态推理模拟,统计与计算》,17,3,263(2007)
[78] Neal,R.,《使用回火转变从多峰分布中取样》,《统计与计算》,6,4,353(1996)
[79] Altekar,G。;Dwarkadas,S。;Huelsenbeck,J。;Ronquist,F.,用于贝叶斯系统发育推断的并行都市耦合马尔可夫链蒙特卡罗,生物信息学,20,3,407(2004)
[80] 里加特,F。;Mira,A.,《并行分层抽样:通用交互马尔可夫链蒙特卡罗算法》,计算统计与数据分析,56,6,1450-1467(2012)·Zbl 1246.65026号
[81] Toni,T。;Welch博士。;斯特雷尔科瓦,N。;艾普森。;Stumpf,M.P.H.,动力学系统中参数推断和模型选择的近似贝叶斯计算方案,皇家学会接口杂志,6,31,187(2009)
[82] Varah,J.,微分方程数值参数估计的样条最小二乘法,SIAM科学与统计计算杂志,3,28(1982)·Zbl 0481.65050号
[83] Ramsay,J。;胡克,G。;坎贝尔,D。;曹,J.,微分方程的参数估计:广义平滑方法,《皇家统计学会杂志:B辑》,69,5,741(2007),(统计方法学)·Zbl 07555374号
[84] Calderhead,B。;Girolma,M。;Lawrence,N.,用高斯过程加速非线性微分方程的贝叶斯推断,神经信息处理系统进展,21,217(2009)
[85] 凯西,F。;贝尔德,D。;冯(Q.Feng)。;Gutenkunst,R。;瀑布,J。;Myers,C。;Brown,K。;Cerione,R。;Sethna,J.,表皮生长因子受体信号传递和下调模型的最佳实验设计,系统生物学,IET 1,3,190-202(2007)
[86] 利伯梅斯特,W。;Klipp,E.,《不确定参数的生物化学网络》,系统生物学,152,3,97(2005),(Stevenage)
[87] Vanlier,J。;Tiemann,C。;Hilbers,P。;van Riel,N.,《目标实验设计的贝叶斯方法》,生物信息学,28,8,1136-1142(2012)
[88] Nyman,E。;布兰马克,C。;帕尔默,R。;布鲁加德,J。;Nystrom,F。;斯特拉弗斯,P。;Cedersund,G.,《分层全身建模方法阐明了体外胰岛素信号传导和体内葡萄糖稳态之间的联系》,《生物化学杂志》,28626028-26041(2011)
[89] Gomez-Cabrero,D。;Compte,A。;Tegner,J.,从参数不确定性模型生成竞争假设的工作流,界面焦点,1,3,438(2011)
[90] 韦伯,P。;克莱默,A。;丁格勒,C。;Radde,N.,《面向轨迹的贝叶斯实验设计与费希尔a-最优设计:深入比较研究》,生物信息学,28,18,i535(2012)
[91] Transtrum,M.公司。;邱,P.,生物微分方程模型参数估计的最佳实验选择,BMC生物信息学,13,1,181(2012)
[92] 林伯特,E。;斯塔赫尔,W。;Abbt,M.,《科学的对数正态分布:关键和线索》,《生物科学》,51,5,341(2001)
此参考列表基于出版商或数字数学图书馆提供的信息。其项与zbMATH标识符进行启发式匹配,可能包含数据转换错误。在某些情况下,zbMATH Open的数据对这些数据进行了补充/增强。这试图尽可能准确地反映原始论文中列出的参考文献,而不要求完整或完全匹配。