基于概率布爾網絡的基因調控網絡研究及應用

劉家鑫+張佳惠+趙明+魏琪

摘要：幾乎所有的生命活動都受基因調控網絡的影響，對基因調控網絡的研究可以讓人們從基因層面認識人類的生命活動。癌癥在我國的發病率和死亡率日益上升，嚴重威脅了人類健康。文章在基因調控網絡的基礎上，以癌癥的研究為例，在原有的布爾網絡的基礎上，通過引入更適合生物體內復雜環境的概率布爾網絡，對癌癥網絡進行分析和預測，減少由于布爾網絡的確定性產生的錯誤規則。

關鍵詞：基因調控網絡；布爾網絡；概率布爾網絡；癌癥；基因

1 基因調控網絡概述

基因調控網絡（Geneticregulatorynetworks，GRN）是指由于細胞內基因與基因之間的相互作用而形成的網絡，具體指由細胞中參與基因調控作用的DNA，RNA、蛋白質、小分子以及它們之間的相互調控作用所形成的一種生化網絡，是生物體內控制基因表達的一種機制。幾乎所有生物的生命活動和功能都被基因調控網絡所影響，因此對基因調控網絡的研宄具有廣泛的生物學意義。

基因的表達是一個復雜的過程，它是由蛋白質合成中各個階段共同調控的。調控層面主要分為3種：（1）在DNA轉錄成RNA過程中；（2）在RNA的運輸和處理過程中；（3）RNA轉錄和蛋白質轉譯過程中。在轉錄中，基因表達的開始時，轉錄因子和起始序列因子結合，結合轉錄酶和RNA的相互作用，調控了基因表達的程度及結果，然而轉錄因子也會被其他因子所調節，因此，基因調控網絡即基因之間相互作用、相互調控的結果。

2 基因調控網絡與癌癥疾病之間的聯系

基因調控網絡作為生物分子網絡的一個重要組成部分，對其進行深入的分析可以從本質上加強對細胞生命活動以及致病基因表達機制過程的理解，利于解析生物體的生長發育、遺傳信號的傳輸、細胞的分化及凋亡等生命活動規律。除此之外，還能對醫學研宄提供思路，它能夠有效地模擬和預測致病基因的行為，能夠幫助醫學專家研發出相應的藥物。

miRNA是真核生物中具有調控功能的非編碼RNA，在轉錄的過程中，遺傳物質發生變異，nnRNA的異常轉錄和表達都會導致蛋白質的翻譯異常，從而引發疾病的產生，因此，我們要選用適當的方法對調控網絡進行研宄，從本質上幫助我們減少此類問題的出現。

3 布爾網絡基因調控模型3.1布爾網絡概述

布爾網絡是一種簡化的網絡模型，但卻是研究基因網絡的一個重要工具，在1969年kauffman最早提出它的分析框架，它可直觀地表示基因網絡的全局行為。在任意給定的一個時刻，基因只有兩種狀態，“開”和“關”，分別由0，1表示。狀態“開”表示一個基因經過轉錄成功表達，形成基因產物，而狀態“關”則代表一個基因未轉錄成功，沒有基因產物。一個布爾網絡包含個節點，也即個基因，每個基因是一個二進制變量，其從t時刻到汁1時刻是確定的。

概率布爾網絡（ProbabilisticBooleanNetworks，PBN）是在布爾型網絡的基礎之上加以概率變化形成。PBN除了具有布爾型網絡的一般特性之外，由于其概率的變化特性，還可結合馬爾科夫鏈對PBN進行分析。相比于布爾網絡來說，概率布爾網絡的引入會更適合生物體內的復雜的環境。

3.2 布爾網絡與概率布爾網絡基因調控模型

布爾網絡模型是一種理想化的模型，在基因調控網絡模型中，它對生物體內的復雜環境都作了最大化的假設，在基因的水平上，將生物體內龐大的系統都用簡單的邏輯規則來代替。顯然由于生物體內的各種復雜性，布爾網絡建模的確定性是其主要的缺點，它用邏輯規則來代替描述生物體內的遺傳功能和相互作用，這樣的推測很有可能導致錯誤的結果，因此我們引入了更加靈活的概率布爾網絡基因調控模型。

概率布爾網絡基因調控模型是在布爾網絡和馬爾科夫鏈的結合，通過概率的特性，來研究生物體內的調控網絡，其表達式如下：

其中，F代表基因的每個時刻的狀態有兩種，是“0”或者“1”；F代表每個基因的可能的決定的函數，對于每—個都是可能的基因狀態，是可能決定的函數的個數。

3.3 基于概率布爾網絡基因調控下的癌癥預測模型

以癌癥的研宄為例，眾所周知，癌癥的發病率和死亡率在我國呈持續上升的狀態，盡管近年來的醫學水平和技術都在不斷提高，然而癌癥的死亡率依然居高不下，據研宄，大約一半以上的己知人類miRNA都分布在染色體的脆弱部位和基因組中的腫瘤相關區域。通過基因庫，篩選出引發和抑制癌癥相關的基因，構建出與癌細胞有關的基因調控網絡te型，利用概率布爾網絡對其進行分析，可以減少簡化布爾網絡帶來的誤差。

分析癌癥基因水平的誘發原因，關鍵是篩選出一些特征明顯且具有良好的預測癌癥功能的基因，建立良好的基因預測庫，為接下來建立多基因的預測模型奠定基礎。多基因預測模型的建立可以將來在很好地在預防癌癥疾病的復發、癌癥患者的個性化治療等方面發揮作用。基于概率布爾網絡的乳腺癌預測模型技術如圖1所示。

上述概率布爾網絡創新方法可應用在乳腺癌疾病的早期診斷、個性化治療、藥物研制等方面，同時也對動植物生命活動的研宄提供新的方法。

4 結語

通過對現代基因調控網絡的多方面分析，發現基因調控網絡不僅可以增加癌癥的及時診斷和治療的概率，同時也可以提高植物抵抗外界的干擾能力，提高糧食產量等，在此基礎上提出新的高效的基因調控網絡。該研宄的成功開展，將會更好更快地解決上述問題。

[參考文獻]

[1]劉湘瓊.肝癌基因調控網絡研究應用[J].生物工程學報，2016（10）：1322-1331.

[2]張國偉.布爾基因網絡及其研究[J].東華大學學報，2006（2）：128-129.

[3]徐紅林.基因調控網絡的建模及其結構分解方法研究[D].無錫：江南大學，2010.

[4]王沛.基因調控網絡的控制：機遇與挑戰[J].自動化學報，2013（12）：1969-1979.

[5]趙文英.基于乳腺癌的若干miRNA的調控網絡研究[D].西安：陜西師范大學，2013.

[6]徐紅林.用于基因調節網絡建模的概率布爾型基因網絡結構分析[J].江南大學學報，2004（5）：465-470.

[7]徐紅林.概率布爾型基因調節網絡的分解方法研究[J].生物信息學，2005（16）：159-162.endprint