×

计算随机反应网络中约束稳态分布参数区域的代数方法。 (英文) Zbl 1409.92090号

小结:稳态是反应网络中的一个基本概念。其稳定性反映了细胞信号转导和基因表达等几种生物现象的基本特征。由于生物化学反应发生在细胞水平,它们受到不可避免的波动的影响。虽然已经提出了几种方法来检测和分析确定性模型的稳态稳定性,但这些方法不能应用于随机反应网络。本文提出了一种基于代数计算的随机反应网络约束稳态分布参数区域计算算法,其中均值和方差满足某些给定的不等式约束。为了评估我们提出的方法,我们对三个典型的化学反应进行了计算机模拟,并证明用我们的方法获得的结果与模拟结果一致。{
©2019美国物理研究所}

MSC公司:

92C40型 生物化学、分子生物学

软件:

发现者
PDF格式BibTeX公司 XML格式引用

参考文献:

[1] Thattai,M。;van Oudenaarden,A.,基因调控网络中的内在噪声,Proc。国家。阿卡德。科学。美国。,98, 8614-8619 (2001) ·doi:10.1073/pnas.151588598
[2] 柴田,T。;Fujimoto,K.,超灵敏信号转导中的噪声信号放大,Proc。国家。阿卡德。科学。美国。,102, 331-336 (2005) ·doi:10.1073/pnas.0403350102
[3] 菲切拉,G。;斯奈德,医学硕士。;Wyman,J.,《生物系统中稳态的存在》,Proc。国家。阿卡德。科学。美国。,74, 4182-4184 (1977) ·doi:10.1073/pnas.74.10.4182
[4] Angeli,D。;费雷尔,J.E。;Sontag,E.D.,《一大类生物正反馈系统中的多稳态、分叉和滞后检测》,Proc。国家。阿卡德。科学。美国。,101, 1822-1827 (2004) ·doi:10.1073/pnas.0308265100
[5] Gatermann,K。;艾斯沃思,M。;Sensse,A.,Toric理想和图论分析质量作用系统中的hopf分岔,J.Symb。计算。,40, 1361-1382 (2005) ·Zbl 1120.13033号 ·doi:10.1016/j.jsc.2005.07002
[6] Craciun,G。;狄更斯坦,A。;Shiu,A。;Sturmfels,B.,Toric动力学系统,J.Symb。计算。,44, 1551-1565 (2009) ·Zbl 1188.37082号 ·doi:10.1016/j.jsc.2008.006
[7] Mincheva,M.,《由成对子网络引起的生化反应网络的非质量作用动力学模型中的振荡》,J.Math。化学。,50, 1111-1125 (2012) ·Zbl 1401.92092号 ·doi:10.1007/s10910-011-9955-8
[8] Domijan,M。;Kirklionis,M.,化学反应网络中的双稳态和振荡,J.Math。生物。,59, 467-501 (2009) ·Zbl 1311.92088号 ·doi:10.1007/s00285-008-0234-7
[9] Tsimring,L.S.,《生物学中的噪音》,Rep.Prog。物理。,77, 026601 (2014) ·doi:10.1088/0034-4885/77/2/026601
[10] 长谷川,Y。;Arita,M.,《可靠生物钟的最佳实现》,Phys。修订版Lett。,113, 108101 (2014) ·doi:10.1103/PhysRevLett.113.108101
[11] McQuarrie,D.A.,化学动力学的随机方法,J.Appl。概率。,4, 413-478 (1967) ·Zbl 0231.60090号 ·doi:10.2307/3212214
[12] Gillespie,D.T.,《化学主方程的严格推导》,Physica A,188, 404-425 (1992) ·doi:10.1016/0378-4371(92)90283-V
[13] Gillespie,D.T.,耦合化学反应的精确随机模拟,物理学杂志。化学。,81, 2340-2361 (1977) ·doi:10.1021/j100540a008
[14] 吉布森,硕士。;Bruck,J.,《具有多物种和多通道的化学系统的高效精确随机模拟》,J.Phys。化学。A、,104, 1876-1889 (2000) ·doi:10.1021/jp993732q
[15] Gillespie,D.T.,化学反应系统的近似加速随机模拟,J.Chem。物理。,115, 1716-1733 (2001) ·数字对象标识代码:10.1063/1.1378322
[16] Munsky,B。;Khammash,M.,化学主方程解的有限状态投影算法,J.Chem。物理。,124, 044104 (2006) ·doi:10.1063/1.2145882
[17] 古普塔,A。;Mikelson,J。;Khammash,M.,化学主方程稳态解的有限状态投影算法,J.Chem。物理。,147, 154101 (2017) ·doi:10.1063/1.5006484
[18] 卡泽耶夫,V。;坎马什,M。;尼普,M。;Schwab,C.,使用量子化张量列直接求解化学主方程,PLoS Compute。生物。,10, 1-19 (2014) ·doi:10.1371/journal.pcbi.1003359
[19] Wang,D.和Xia,B.,“具有实解分类的生物系统稳定性分析”,载于2005年符号和代数计算国际研讨会论文集(ACM,2005),第354-361页·Zbl 1360.92048号
[20] Manrai,A.K。;Gunawardena,J.,《多位点磷酸化的几何结构》,生物物理学。J.、。,95, 5533-5543 (2008) ·doi:10.1529/biophysj.108.140632
[21] 汤姆森,M。;Gunawardena,J.,《多站点翻译后修改系统的有理参数化定理》,J.Theor。生物。,261, 626-636 (2009) ·Zbl 1403.92085号 ·doi:10.1016/j.jtbi.2009.09.003
[22] 马丁内斯·福雷罗,I。;Peláez-López,A。;Villoslada,P.,使用简化分析方法对化学反应网络进行稳态检测,PLoS One,5,e10823(2010)·doi:10.1371/journal.pone.0010823
[23] Loriaux,P.M。;Tesler,G。;Hoffmann,A.,《使用质量作用模型稳态的分析表达式表征稳态和响应之间的关系》,《公共科学图书馆·计算》。生物。,9,e1002901(2013)·doi:10.1371/journal.pcbi.1002901
[24] Siegal-Gaskins,D。;Franco,E。;周,T。;Murray,R.M.,《利用实代数几何进行双稳态生物电路识别的分析方法》,J.R.Soc.Interface,12, 20150288 (2015) ·doi:10.1098/rsif.2015.0288
[25] Otero-Muras,I。;尤丹诺夫,P。;Stelling,J.,化学反应网络理论阐明了干扰素信号多稳定性的来源,PLoS Compute。生物。,13, 1-28 (2017) ·doi:10.1371/journal.pcbi.1005454
[26] González,J.M.M.,《利用Gröbner基揭示多相催化化学反应网络中的多稳态区域》,J.Symb。计算。,80, 521-537 (2017) ·Zbl 1405.92315号 ·doi:10.1016/j.jsc.2016.07.024
[27] 考克斯,D.A。;Little,J。;O'Shea,D.,《理想、多样性和算法》(2007)·Zbl 1118.13001号
[28] 古普塔,A。;Briat,C。;Khammash,M.,《建立随机反应网络长期行为的可扩展计算框架》,《公共科学图书馆·计算》。生物。,10, 1-16 (2014) ·doi:10.1371/journal.pcbi.1003669
[29] 古普塔,A。;Khammash,M.,随机反应网络不可约状态空间的计算识别,SIAM J.Appl。动态。系统。,17, 1213-1266 (2018) ·Zbl 1393.60079号 ·doi:10.1137/17M1134299
[30] Ozbudak,E.M。;Thattai,M。;科特瑟,I。;格罗斯曼,A.D。;van Oudenaarden,A.,《单个基因表达中噪音的调节》,《自然遗传学》。,31,69(2002年)·doi:10.1038/ng869
[31] Kn,M。;布雷克·W·J。;Collins,J.,《基因调控网络工程》,年。生物识别版本。工程师。,5, 179-206 (2003) ·doi:10.1146/annurev.bioeng.5.040202.121553
[32] Kuntz,J。;托马斯·P。;斯坦,G.-B。;M.巴拉奥纳。
[33] 樱井,Y。;Hori,Y.,基于优化的随机生物电路合成与统计规范,J.R.Soc.Interface,15, 20170709 (2018) ·doi:10.1098/rsif.2017.0709
[34] Elf,J。;Máns,E.,用线性噪声近似快速评估生化网络中的波动,基因组研究。,13, 2475-2484 (2003) ·doi:10.1101/gr.1196503
[35] 斯科特,M。;英格尔斯,B。;Krn,M.,非线性遗传网络模型中内在和外在噪声的估计,混沌,16, 026107 (2006) ·Zbl 1152.92339号 ·doi:10.1063/1.2211787
[36] Kampen,N.V.,《物理和化学中的随机过程》(2007)
[37] 华莱士·E·W·J。;Gillespie,D.T。;桑夫特,K.R。;Petzold,L.R.,线性噪声近似对于任何足够大的化学系统(IET系统)在有限的时间内有效。生物。,6, 102-115 (2012) ·doi:10.1049/iet-syb2011.0038
[38] 哥梅斯·乌里韦,哥伦比亚特区。;Verghese,G.C.,《质量波动动力学:通过耦合均值计算捕捉化学反应系统中的随机效应》,J.Chem。物理。,126, 024109 (2007) ·doi:10.1063/1.2408422
[39] 蕨类,L。;Lötstedt,P。;Hellander,A.,由尺寸参数缩放的主方程近似层次,J.Sci。计算。,34,127-151(2008)·Zbl 1136.65007号 ·doi:10.1007/s10915-007-9179-z
[40] Lee,C.H。;Kim,K.H。;Kim,P.,随机反应网络的矩闭包方法,J.Chem。物理。,130, 134107 (2009) ·数字对象标识代码:10.1063/1.3103264
[41] Gillespie,C.S.,质量作用模型的力矩-闭合近似,IET系统。生物。,, 52-58 (2009) ·doi:10.1049/iet-syb:20070031
[42] Grima,R.,《随机化学动力学的矩-闭合近似精度研究》,J.Chem。物理。,136, 154105 (2012) ·doi:10.1063/1.3702848
[43] Ale,A。;柯克,P。;Stumpf,M.P.H.,随机动力学模型的通用力矩展开法,J.Chem。物理。,138, 174101 (2013) ·doi:10.1063/1.4802475
[44] Gillespie,D.T.,《化学朗之万方程》,J.Chem。物理。,113, 297-306 (2000) ·doi:10.1063/1.481811
[45] 施诺尔,D。;Sanguinetti,G。;Grima,R.,《随机生物化学动力学的近似和推断方法——教程综述》,J.Phys。数学。理论。,50, 093001 (2017) ·Zbl 1360.92051号 ·doi:10.1088/1751-8121/aa54d9
[46] Grima,R.,《小体积反应动力学的有效速率方程方法:非平衡稳态条件下生化反应的理论和应用》,J.Chem。物理。,133, 035101 (2010) ·doi:10.1063/1.3454685
[47] 托马斯·P。;Matuschek,H。;Grima,R.,基因调控网络的线性噪声近似值的可靠性如何?,BMC基因组学,14,S5(2013)·doi:10.1186/1471-2164-14-S4-S5
[48] 曹,Z。;Grima,R.,具有随机动力学的基因调控网络的线性映射近似,自然通讯。,9, 3305 (2018) ·doi:10.1038/s41467-018-05822-0
[49] Mishra,B.,算法代数(1993)·Zbl 0804.13009号
[50] Wang,D.,将多项式系统分解为简单系统,J.Symb。计算。,25, 295-314 (1998) ·兹比尔0913.12008 ·doi:10.1006/jsco.1997.0177
[51] Grima,R.,线性噪声近似和化学主方程对一类化学系统Phys的二阶矩是一致的。版次E,92, 042124 (2015) ·doi:10.1103/PhysRevE.92.042124
[52] Keeling,M.J.,《生态学中的乘法时刻和持久性度量》,J.Theor。生物。,205, 269-281 (2000) ·doi:10.1006/jtbi.200066年
[53] Násell,I.,矩闭包法的推广,Theor。大众。生物。,64, 233-239 (2003) ·Zbl 1104.92051号 ·doi:10.1016/S0040-5809(03)00074-1
[54] 施诺尔,D。;Sanguinetti,G。;Grima,R.,随机化学动力学不同矩-闭合近似的比较,J.Chem。物理。,143, 185101 (2015) ·数字对象标识代码:10.1063/1.4934990
[55] Wang,D.,《计算三角系统和正则系统》,J.Symb。计算。,30, 221-236 (2000) ·Zbl 1007.65039号 ·doi:10.1006/jsco.1999.0355
[56] Yang,L。;侯,X。;Xia,B.,一类不等式型定理自动发现的完整算法,Sci。中国Ser。F、,44, 33-49 (2001) ·Zbl 1125.68406号 ·doi:10.1007/BF02713938
[57] Yang,L.和Xia,B.,“参数半代数系统的实解分类”,载于《算法代数和逻辑-A3L 2005会议录》(Verlag,2005),第281-289页。
[58] Arnon,D.S。;柯林斯,G.E。;McCallum,S.,《柱代数分解I:基本算法》,SIAM J.Compute。,13, 865-877 (1984) ·Zbl 0562.14001号 ·数字对象标识代码:10.1137/0213054
[59] Arnon,D.S。;柯林斯,G.E。;McCallum,S.,《柱代数分解II:平面的邻接算法》,SIAM J.Compute。,13, 878-889 (1984) ·兹比尔0562.14001 ·数字对象标识代码:10.1137/0213055
[60] 霍奇,S.K。;Kremling,A.,《多稳态基因回路中噪声的表征揭示了调节异质性的方法》,《公共科学图书馆·综合》,13, 1-20 (2018) ·doi:10.1371/journal.pone.0194779
[61] Grima,R。;沃尔特,N.G。;Schnell,S.,单分子酶学a la michaelismenten,FEBS J。,281, 518-530 (2014) ·doi:10.1111/febs.12663
[62] 普里戈金,I。;Lefever,R.,耗散系统中的对称破缺不稳定性。二、 化学杂志。物理。,48, 1695-1700 (1968) ·数字对象标识代码:10.1063/1168896
[63] Elowitz,M.B。;莱文·A·J。;Siggia,E.D。;Swain,P.S.,单细胞中的随机基因表达,科学,297, 1183-1186 (2002) ·doi:10.1126/science.1070919
[64] Togashi,Y。;Kaneko,K.,小自催化系统中分子离散性诱导的跃迁,Phys。修订版Lett。,86, 2459-2462 (2001) ·doi:10.1103/PhysRevLett.86.2459
[65] 安德森·D·F。;Enciso,G.A。;Johnston,M.D.,具有绝对浓度稳健性的生化反应网络随机分析,J.R.Soc.Interface,11, 20130943 (2014) ·doi:10.1098/rsif.2013.0943
[66] 安德森,D。;卡佩莱蒂,D。
[67] 施诺尔,D。;Sanguinetti,G。;Grima,R.,随机化学动力学中力矩闭合近似的有效条件,J.Chem。物理。,141, 084103 (2014) ·数字对象标识代码:10.1063/1.4892838
[68] 托马斯·P。;波波维奇,N。;Grima,R.,基因调控网络中的表型转换,Proc。国家。阿卡德。科学。美国。,111, 6994-6999 (2014) ·doi:10.1073/pnas.1400049111
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。