莫里茨·朗；斯特林，约格 生物分子网络的模块化参数识别。 （英语） Zbl 1356.90141号 SIAM J.科学。计算。 38，第6号，B988-B1008（2016）. 概述：系统和合成生物学中动态模型的复杂性不断增加，这给计算带来了挑战，尤其是在模型参数的识别方面。虽然相应优化问题的模块化有助于减少“维数灾难”，但丰富的反馈和串扰机制禁止将大多数生物分子网络简单分解为子网络或模块。借鉴网络模块化和多点优化的思想，我们在这里提出了一种模块化参数识别方法，该方法明确考虑了这种相互依赖性。模块之间的界面由实验测量的分子种类给出。该定义允许直接从实验数据中导出模块间通信的良好（初始）估计。根据这些估计，不同模块的状态和参数敏感性可以独立集成。为了实现模块之间的一致性，我们在优化参数的同时，反复调整模块间通信的估计值。在收敛到最佳参数集后（但不是在早期迭代期间），模块间通信以及各个模块的状态动力学与非模块化网络的动力学一致。我们的模块化参数识别方法允许轻松并行化；它可以降低大型网络的计算复杂度，并降低收敛到次优局部极小值的概率。我们展示了该算法在两个生物分子网络（合成遗传振荡器和哺乳动物信号通路）的参数估计中的性能。 MSC公司： 90立方 非线性规划 34A55型 涉及常微分方程的反问题 第92页第42页 系统生物学、网络 关键词：模块化；参数识别；系统生物学 软件：pchip芯片；可观察性测试；MCS公司；格拉夫维兹 PDF格式BibTeX公司 XML格式引用 \textit{M.Lang}和\textit{J.Stelling}，SIAM J.Sci。计算。38，第6号，B988--B1008（2016；Zbl 1356.90141） 全文： 内政部 参考文献： [1] J.Bachmann、A.Raue、M.Schilling、M.E.Boöhm、C.Kreutz、D.Kaschek、H.Busch、N.Gretz、W.D.Lehmann，J.Timmer和U.Klingmuöller，{双反馈调节器分工控制广泛配体范围内的JAK2/STAT5信号}，分子系统。生物学，7（2011），516。 [2] E.Balsa-Canto、J.R.Banga、J.A.Egea、A.Fernandez-Villaverde和G.M.de Hijas-Liste，《系统生物学中的全局优化：随机方法及其应用》，高级实验医学生物学。，736（2012），第409-424页。 [3] E.Balsa-Canto、M.Peifer、J.R.Banga、J.Timmer和C.Fleck，{参数估计通用切换策略的混合优化方法}，BMC系统生物学，2（2008），第1-9页。 [4] A.Bar-Even、E.Noor、Y.Saver、W.Liebermeister、D.Davidi、D.S.Tawfik和R.Milo，《中等效率酶：形成酶参数的进化和物理化学趋势》，《生物化学》，50（2011），第4402-4410页。 [5] R.Bellman，《动态编程》，普林斯顿大学出版社，新泽西州普林斯顿，1957年·Zbl 0077.13605号 [6] H.G.Bock，化学反应动力学中反问题的数值处理，化学反应系统建模，Springer Ser。化学。物理。18，K.H.Ebert、P.Deufhard和W.Jaöger编辑，施普林格，柏林，海德堡，1981年，第102-125页。 [7] H.G.Bock，{\it Randwertproblemmethoden zur Parameteridentifizierung in Systemen nichtlinearer Differentialgleichungen}，博士论文，德国波恩莱茵谢·弗里德里希·威廉姆斯大学，1987年（德语）·Zbl 0622.65064号 [8] C.G.E.Boender和A.H.G.Rinnooy Kan，{多级全局优化方法的贝叶斯停止规则}，数学。编程，37（1987），第59-80页·Zbl 0626.90079号 [9] C.G.E.Boender、A.H.G.Rinnooy Kan、G.T.Timmer和L.Stougie，《全局优化的随机方法》，数学。《程序设计》，22（1982），第125-140页·Zbl 0525.90076号 [10] F.J.Bruggeman、J.L.Snoep和H.V.Westehoff，《细胞调控网络的控制、反应和模块性：控制分析视角》，IET系统。生物学，2（2008），第397-410页。 [11] T.F.Coleman和Y.Li，{一种使二次函数最小化并受某些变量边界约束的反射牛顿法}，SIAM J.Optim。，6（1996），第1040-1058页·Zbl 0861.65053号 [12] J.Ellson、E.R.Gansner、L.Koutsofios、S.C.North和G.Woodhull，{it Graphviz–开放源码图形绘制工具}，《图形绘制，计算机课堂讲稿》。科学。2265，施普林格，柏林，海德堡，2001年，第483-484页·Zbl 1054.68583号 [13] M.B.Elowitz和S.Leibler，《转录调节器的合成振荡网络》，《自然》，403（2000），第335-338页。 [14] F.N.Fritsch和R.E.Carlson，{单调分段三次插值}，SIAM J.Numer。分析。，17（1980），第238-246页·Zbl 0423.65011号 [15] W.Huyer和A.Neumaier，{通过多级坐标搜索进行全局优化}，J.Global Optim。，14（1999），第331-355页·Zbl 0956.90045号 [16] H.-M.Kaltenbach和J.Stelling，《生物网络的模块化分析》，《高级实验医学生物学》，736（2012），第3-17页。 [17] B.Kholodenko、M.B.Yaffe和W.Kolch，《分析生物网络信息流的计算方法》，科学。信号。，5（2012），第1-14页。 [18] B.N.Kholodenko、F.J.Bruggeman和H.M.Sauro，《细胞调控网络建模和推断的机械和模块化方法》，摘自《系统生物学》，顶部。货币。遗传学。13，施普林格，柏林，海德堡，2005年，第143-159页。 [19] G.Koh、D.Hsu和P.S.Thiagarajan，《基于组件的生物通道模型构建：参数估计问题》，理论。计算。科学。，412（2011），第2840-2853页·Zbl 1215.92016年 [20] G.Koh、H.F.C.Teong、M.-V.Cleíment、D.Hsu和P.S.Thiagarajan，{路径建模中参数估计的分解方法：Akt和MAPK路径及其串扰的案例研究}，生物信息学，22（2006），pp.e271-e280。 [21] O.Kotte和M.Heinemann，《分析未确定生化模型的分而治之方法》，生物信息学，25（2009），第519-525页。 [22] H.Kuwahara，M.Fan，S.Wang，and X.Gao，{使用结构信息对基因电路模型进行可扩展参数估计的框架}，生物信息学，29（2013），pp.i98-i107。 [23] M.Lang、S.Summers和J.Stelling，《切割电线：用于实验设计的细胞网络模块化》，Biophys。J.，106（2014），第321-331页。 [24] S.M.Lenz、H.G.Bock、J.P.Schlo¨der、E.A.Kostina、G.Gienger和G.Ziegler，{卫星初始轨道确定的多重射击方法}，J.Guid。控制发电机。，33（2010），第1334-1346页。 [25] C.Li、M.Donizelli、N.Rodriguez、H.Dharuri、L.Endler、V.Chelliah、L.Li、E.He、A.Henry、M.I.Stefan、J.L.Snoep、M.Hucka、N.Le Novere和C.Laibe，生物模型数据库：已发表定量动力学模型的增强、策划和注释资源，BMC Syst。生物学，4（2010），第1-14页。 [26] G.Lillacci和M.Khammash，计算生物学中的参数估计和模型选择，PLoS Computat。生物，6（2010），e1000696·Zbl 1258.93111号 [27] M.Locatelli和F.Schoen，《随机链接：全局优化的接受/拒绝算法家族》，数学。程序。，85（1999），第379-396页·Zbl 0946.90063号 [28] C.G.Moles、P.Mendes和J.R.Banga，《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（2003），第2467-2474页。 [29] P.M.Pardalos、H.E.Romeijn和H.Tuy，《全局优化的最新发展和趋势》，J.Compute。申请。数学。，124（2000），第209-228页·Zbl 0969.90067号 [30] M.Peifer和J.Timmer，{使用多重打靶法估计生化过程常微分方程中的参数}，IET系统。生物学，1（2007），第78-88页。 [31] T.P.Prescott和A.Papachristodoulou，{跨分层生化网络的信号传播}，《美国控制会议论文集》，2014年，第3399-3404页。 [32] A.Sedoglavic，{检验多项式时间内局部代数可观测性的概率算法}，《2001年符号与代数计算国际研讨会论文集》，美国计算机学会，纽约，2001年，第309-317页·Zbl 1356.93017号 [33] Y.Shmaley，{线性时变系统}，《连续时间系统》，施普林格，多德雷赫特，2007年，第349-423页。 [34] J.Sun、J.M.Garibaldi和C.Hodgman，《系统生物学中使用元启发式的参数估计：综合评述》，IEEE/ACM Trans。计算。生物信息学。，9（2012），第185-202页。 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。