面向腫瘤治療的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)及其動(dòng)力學(xué)模型

1、面向腫瘤治療的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)及其動(dòng)力學(xué)模型信息學(xué)院：齊金鵬信息學(xué)院：齊金鵬 n生命體是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)。生命體是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)。基因組通過形成基因組通過形成“基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)”這樣一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)來推動(dòng)生命演化過程。這樣一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)來推動(dòng)生命演化過程。n系統(tǒng)控制論等信息科學(xué)將生命體看作新的復(fù)雜系統(tǒng)與智系統(tǒng)控制論等信息科學(xué)將生命體看作新的復(fù)雜系統(tǒng)與智能系統(tǒng)，以期能系統(tǒng)，以期從系統(tǒng)層次理解生物系統(tǒng)。從系統(tǒng)層次理解生物系統(tǒng)。n作為系統(tǒng)生物學(xué)的主要研究對(duì)象，基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)有助于從作為系統(tǒng)生物學(xué)的主要研究對(duì)象，基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)有助于從基因?qū)哟螌?duì)生命過程進(jìn)行詳細(xì)解釋，系統(tǒng)地理解生命活動(dòng)?；?qū)哟螌?duì)生命過程進(jìn)行詳

2、細(xì)解釋，系統(tǒng)地理解生命活動(dòng)。 1.1 研究背景研究背景n1953年，年，Watson和和Crick發(fā)現(xiàn)了發(fā)現(xiàn)了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)，以此開雙螺旋結(jié)構(gòu)，以此開創(chuàng)了分子生物學(xué)的新時(shí)代創(chuàng)了分子生物學(xué)的新時(shí)代 。n基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)研究始于基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)研究始于20世紀(jì)世紀(jì)90年代，主要以模式生物為年代，主要以模式生物為研究對(duì)象。比如，大腸桿菌研究對(duì)象。比如，大腸桿菌(E. coli)基因回路等?；蚧芈返?。n我國學(xué)者也開始展開研究，比如王志偉等基于我國學(xué)者也開始展開研究，比如王志偉等基于Iyla提出了提出了概率布爾型網(wǎng)絡(luò)（概率布爾型網(wǎng)絡(luò)（PBN）模型。）模型。 1.2 研究現(xiàn)狀研究現(xiàn)狀-基因調(diào)控模型基因調(diào)控模型

3、n目前，多數(shù)腫瘤模型集中于細(xì)胞層次，比如，目前，多數(shù)腫瘤模型集中于細(xì)胞層次，比如，David Dingli 等人在細(xì)胞層次上建立了腫瘤治療的數(shù)學(xué)模型。等人在細(xì)胞層次上建立了腫瘤治療的數(shù)學(xué)模型。nBar-Or等人首次提出了分子水平上的等人首次提出了分子水平上的P53-MDM2反饋調(diào)控反饋調(diào)控網(wǎng)絡(luò)模型。網(wǎng)絡(luò)模型。Lan Ma等也提出了單細(xì)胞的等也提出了單細(xì)胞的P53網(wǎng)絡(luò)模型。網(wǎng)絡(luò)模型。n中國農(nóng)大利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法建立了診斷癌癥的網(wǎng)絡(luò)中國農(nóng)大利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法建立了診斷癌癥的網(wǎng)絡(luò)模型。模型。 1.2 研究現(xiàn)狀研究現(xiàn)狀-腫瘤模型腫瘤模型n但通過基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)建立腫瘤治療模型的研究在國內(nèi)未但通過基因調(diào)

4、控網(wǎng)絡(luò)建立腫瘤治療模型的研究在國內(nèi)未見報(bào)道。見報(bào)道。n作為復(fù)雜的生物系統(tǒng)之一，腫瘤可看作與其密切相關(guān)的作為復(fù)雜的生物系統(tǒng)之一，腫瘤可看作與其密切相關(guān)的P53與與MDM2等基因及其信號(hào)通路所組成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。等基因及其信號(hào)通路所組成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。n本課題以本課題以P53等基因及其調(diào)控通路為主線，對(duì)腫瘤相關(guān)的等基因及其調(diào)控通路為主線，對(duì)腫瘤相關(guān)的基因組調(diào)控關(guān)系，以及腫瘤治療過程進(jìn)行解析。基因組調(diào)控關(guān)系，以及腫瘤治療過程進(jìn)行解析。n旨在通過數(shù)學(xué)模型為腫瘤治療相關(guān)的建模與仿真研究提旨在通過數(shù)學(xué)模型為腫瘤治療相關(guān)的建模與仿真研究提供提供一個(gè)有力的理論框架與系統(tǒng)仿真平臺(tái)。供提供一個(gè)有力的理論框架與系統(tǒng)

5、仿真平臺(tái)。 1.3 研究意義研究意義n作為重要的抗癌基因，作為重要的抗癌基因，P53主要通過其表達(dá)水平的變化來主要通過其表達(dá)水平的變化來行使轉(zhuǎn)錄網(wǎng)絡(luò)中的樞紐作用。行使轉(zhuǎn)錄網(wǎng)絡(luò)中的樞紐作用。 2.1 P53基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)n當(dāng)細(xì)胞受到外部強(qiáng)干擾時(shí)，細(xì)胞會(huì)啟動(dòng)當(dāng)細(xì)胞受到外部強(qiáng)干擾時(shí)，細(xì)胞會(huì)啟動(dòng)P53基因調(diào)控通路，基因調(diào)控通路，抑制致癌基因過度表達(dá)，降解病變細(xì)胞等功能。抑制致癌基因過度表達(dá)，降解病變細(xì)胞等功能。nP53介導(dǎo)的細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路十分復(fù)雜。因此，介導(dǎo)的細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路十分復(fù)雜。因此，Vogelstein和和Levine等學(xué)者提出了等學(xué)者提出了P53基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的概念?；蛘{(diào)控網(wǎng)絡(luò)的

6、概念。 nBar-Or等首次提出了等首次提出了P53-MDM2反饋調(diào)控網(wǎng)絡(luò)模型。反饋調(diào)控網(wǎng)絡(luò)模型。MDM2外界侵?jǐn)_P53I圖2-1 P53-MDM2反饋調(diào)控網(wǎng)絡(luò)模型 2.2 P53-MDM2反饋調(diào)控網(wǎng)絡(luò)反饋調(diào)控網(wǎng)絡(luò)（1）該模型引入了關(guān)鍵元素）該模型引入了關(guān)鍵元素P53、MDM2和和I，其中，其中I為產(chǎn)生為產(chǎn)生P53和和MDM2調(diào)控時(shí)延而引入的中間介質(zhì)。調(diào)控時(shí)延而引入的中間介質(zhì)。（2） P53通過通過I 間接促進(jìn)間接促進(jìn)MDM2表達(dá)。表達(dá)。MDM2同時(shí)同時(shí)抑制抑制P53基因的表達(dá)，以及基因的表達(dá)，以及P53向向I 狀態(tài)的轉(zhuǎn)化，從狀態(tài)的轉(zhuǎn)化，從而構(gòu)成了而構(gòu)成了P53-MDM2反饋調(diào)控環(huán)。反饋調(diào)控環(huán)

7、。（3）外界的強(qiáng)干擾信號(hào)正向調(diào)控）外界的強(qiáng)干擾信號(hào)正向調(diào)控P53向向I 的狀態(tài)轉(zhuǎn)的狀態(tài)轉(zhuǎn)化，同時(shí)抑制化，同時(shí)抑制MDM2基因的表達(dá)，從而進(jìn)一步促進(jìn)基因的表達(dá)，從而進(jìn)一步促進(jìn)P53基因的表達(dá)水平?；虻谋磉_(dá)水平。n雖然雖然Bar提出的模型能在提出的模型能在P53與與MDM2間產(chǎn)生預(yù)期的阻尼振蕩。但研究表明，震間產(chǎn)生預(yù)期的阻尼振蕩。但研究表明，震蕩歸因于蛋白質(zhì)間交互作用，從而推斷網(wǎng)絡(luò)包含更多基因及其多級(jí)調(diào)控通路。蕩歸因于蛋白質(zhì)間交互作用，從而推斷網(wǎng)絡(luò)包含更多基因及其多級(jí)調(diào)控通路。 2.3 DNA損傷下的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)模型損傷下的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)模型（1）在強(qiáng)干擾作用下，）在強(qiáng)干擾作用下，DNA損傷將促使

8、損傷將促使ATM不斷被激活，不斷被激活，并產(chǎn)生對(duì)并產(chǎn)生對(duì)P53、E2F1的正向調(diào)控以及對(duì)的正向調(diào)控以及對(duì)MDM2的負(fù)向調(diào)控的負(fù)向調(diào)控作用。作用。n以以Bar-Or等前人工作為基礎(chǔ)，我們提出等前人工作為基礎(chǔ)，我們提出DNA損傷下的損傷下的P53基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)模型?；蛘{(diào)控網(wǎng)絡(luò)模型。DNA損傷 MDM2ARF活躍態(tài)P53P53P活躍態(tài)ATM非活躍態(tài)E2F21E2F1正向作用功能轉(zhuǎn)化生成作用降解作用ATMD圖2-2 基于DNA損傷的P53基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)模型（2） 活躍態(tài)活躍態(tài)P53正向調(diào)控正向調(diào)控MDM2，并與，并與MDM2形成一個(gè)反形成一個(gè)反饋調(diào)控循環(huán)，負(fù)責(zé)啟動(dòng)下游基因及其調(diào)控通路，產(chǎn)生系統(tǒng)饋調(diào)控循環(huán)

9、，負(fù)責(zé)啟動(dòng)下游基因及其調(diào)控通路，產(chǎn)生系統(tǒng)響應(yīng)功能。響應(yīng)功能。n為確保模型的有效性，我們采用了以下參數(shù)選取規(guī)則：為確保模型的有效性，我們采用了以下參數(shù)選取規(guī)則： 2.4 模型實(shí)現(xiàn)模型實(shí)現(xiàn)n目前，許多方法用于建立基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)模型，比如有向圖、布爾網(wǎng)絡(luò)、目前，許多方法用于建立基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)模型，比如有向圖、布爾網(wǎng)絡(luò)、Bayesian網(wǎng)絡(luò)、微分方程等。微分方程模型不但能夠定量地描述基因網(wǎng)絡(luò)、微分方程等。微分方程模型不但能夠定量地描述基因間復(fù)雜的調(diào)控動(dòng)力學(xué)過程，而且能方便地將外界干擾因素對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生間復(fù)雜的調(diào)控動(dòng)力學(xué)過程，而且能方便地將外界干擾因素對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響引入網(wǎng)絡(luò)。的影響引入網(wǎng)絡(luò)。 （1）在響應(yīng)）在

10、響應(yīng)DNA損傷過程中，損傷過程中，MDM2與與P53之間必須出現(xiàn)周期性阻尼振蕩；之間必須出現(xiàn)周期性阻尼振蕩；（2） P53依賴于依賴于MDM2的降解機(jī)制僅適用于的降解機(jī)制僅適用于P53濃度較低的情況；濃度較低的情況；（3）平衡狀態(tài)下的）平衡狀態(tài)下的P53* 濃度要高于非活躍態(tài)濃度要高于非活躍態(tài)P53濃度。濃度。 2.5 部分動(dòng)力學(xué)仿真部分動(dòng)力學(xué)仿真-1n基于基于MATMLAB7.0仿真平臺(tái)，我們實(shí)現(xiàn)了仿真平臺(tái)，我們實(shí)現(xiàn)了P53基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)DNA損傷的整個(gè)動(dòng)力學(xué)過程。損傷的整個(gè)動(dòng)力學(xué)過程。 （1）細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生的）細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生的DNA損傷總量隨著干擾作用時(shí)間而直線上升。損傷總量隨著

11、干擾作用時(shí)間而直線上升。0100200300400500600700800050100150細(xì)胞內(nèi)部產(chǎn)生的DNA損傷隨著干擾時(shí)間不斷堆積的仿真過程(a) 干擾時(shí)間（Min） 損傷量02040608010012000.20.40.60.81ATM激活并進(jìn)一步調(diào)控P53與MDM2的動(dòng)力學(xué)過程 (b) 干擾時(shí)間（Min） ATM*P53*MDM2約25分鐘的持續(xù)干擾后，活躍態(tài)ATM基本處于飽和狀態(tài)濃度（2）約）約25分鐘后，分鐘后，ATM*達(dá)到飽和，并保持達(dá)到飽和，并保持“開啟開啟”狀態(tài)。狀態(tài)。P53*與與MDM2的濃度也逐步升高。的濃度也逐步升高。 2.5 部分動(dòng)力學(xué)仿真部分動(dòng)力學(xué)仿真-20102

12、03040506070809010000.20.40.60.811.21.4ARFE2F1 活躍態(tài)ARF與E2F1幾乎與ATM*同時(shí)達(dá)到飽和狀態(tài)ARF與E2F1激活的動(dòng)力學(xué)過程濃度(c) 干擾時(shí)間（Min）02004006008001000120000.20.40.60.81在ATM*持續(xù)作用下P53與MDM2反饋調(diào)控的動(dòng)力學(xué)過程(d) 干擾時(shí)間（Min） ATM*P53*MDM2濃度 3.1 模型架構(gòu)模型架構(gòu)DNA損傷產(chǎn)生與修復(fù)模塊ATM激活模塊離子輻射干擾信號(hào)源P53-MDM2反饋調(diào)控模塊調(diào)控信號(hào)向下游傳導(dǎo)圖3-1 持續(xù)離子輻射下的P53基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)模型架構(gòu) 3.2 模型實(shí)現(xiàn)模型實(shí)現(xiàn)- D

13、NA損傷產(chǎn)生與修復(fù)模塊損傷產(chǎn)生與修復(fù)模塊圖3-2 持續(xù)離子輻射下的DNA損傷修復(fù)模塊示意圖kdc1kdc2kcd1kcd2D2激活A(yù)TM信號(hào)源DSBCsDSBsD1C2C1)(IRapoissonrndkdtDTdIRt 3.2 模型實(shí)現(xiàn)模型實(shí)現(xiàn)- ATM 激活模塊激活模塊圖3-3 ATM激活模塊示意圖 kafkarATMDATMATM*kundimC (DSBCs)kdimF(C, ATM*) 3.2 模型實(shí)現(xiàn)模型實(shí)現(xiàn)- P53-MDM2反饋調(diào)控模塊反饋調(diào)控模塊圖3-4 P53-MDM2反饋調(diào)控模塊示意圖 P53DP53RP53PP53P*ATM*Basalp53Basalmdm2降解MDM

14、2DMDM2RMDM2P 3.3 部分動(dòng)力學(xué)仿真部分動(dòng)力學(xué)仿真010203040506070800.330.3350.340.3450.350.3550.360.3650.37持續(xù)10Gy離子輻射下細(xì)胞內(nèi)隨機(jī)產(chǎn)生DSBs的動(dòng)力學(xué)過程(a) 輻射時(shí)間（Min）損傷量50010001500(d) 輻射時(shí)間（Min） 000 .10 .20 .30 .40 .50 .60 .70 .8P53*與MDM2p響應(yīng)DNA損傷而產(chǎn)生周期性阻尼振蕩的動(dòng)力學(xué)過程濃度P53*MDM2pP53*與MDM2p 間的相差約為2小時(shí)4.1 細(xì)胞響應(yīng)細(xì)胞響應(yīng)DNA損傷的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)模型架構(gòu)損傷的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)模型架構(gòu)DNA損傷產(chǎn)生與

15、修復(fù)模塊ATM激活模塊離子輻射干擾信號(hào)源P53-MDM2反饋調(diào)控模塊調(diào)控信號(hào)向下游傳導(dǎo)圖4-1 持續(xù)離子輻射下的P53基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)模型架構(gòu) 4.2 模型實(shí)現(xiàn)模型實(shí)現(xiàn)- DNA損傷產(chǎn)生與修復(fù)模塊損傷產(chǎn)生與修復(fù)模塊圖4-2 改進(jìn)后的DNA損傷修復(fù)模型示意圖Fixed DSBskcf2kcd2D1kdc1kdc2kcd1D2C1C2DSBCsDSBsFd1Fd2 kcf1激活A(yù)TM信號(hào)源 4.2 模型實(shí)現(xiàn)模型實(shí)現(xiàn)- P53-MDM2反饋調(diào)控模塊反饋調(diào)控模塊P53-MDM2反饋調(diào)控模反饋調(diào)控模塊塊圖4-3 改進(jìn)后的P53-MDM2反饋調(diào)控模塊圖P53RP53PP53P*MDM2RMDM2PATM*Ba

16、salp53Basalmdm2E2F1E2F1RARFARFR 4.3 部分動(dòng)力學(xué)仿真部分動(dòng)力學(xué)仿真-102040608010012014016018005101520253035404550不同離子輻射強(qiáng)度下的DSBCs合成動(dòng)力學(xué)過程軌跡圖(b) 輻射時(shí)間 (Min) 濃度under IR=10Gyunder IR=11Gyunder IR=12Gy約100分鐘的12Gy持續(xù)離子輻射后DSBCs合成速率開始下降020406080100120140160180012345678910不同輻射強(qiáng)度下細(xì)胞周圍可用的修復(fù)蛋白數(shù)量動(dòng)態(tài)變化軌跡圖(a) 輻射時(shí)間 (Min) 濃度under IR=10G

17、yunder IR=11Gyunder IR=12Gy 4.3 部分動(dòng)力學(xué)仿真部分動(dòng)力學(xué)仿真-2010020030040050060070080000.10.20.30.40.50.60.70.80.91不同強(qiáng)度離子輻射下P53* 與MDM2 間產(chǎn)生周期性阻尼振蕩的動(dòng)力學(xué)軌跡圖(c) 輻射時(shí)間 (Min) 濃度p53* under IR=10Gyp53* under IR=11Gyp53* under IR=12GyMDM2 under IR=10GyMDM2 under IR=11GyMDM2 under IR=12Gy05010015020025030035040045050055000.

18、10.20.30.40.50.60.70.8Sp53參數(shù)異常而導(dǎo)致P53*與MDM2異常響應(yīng)DNA損傷的動(dòng)力學(xué)軌跡圖(d) 輻射時(shí)間 (Min) 濃度Sp53P53*MDM2 5.1 模型架構(gòu)模型架構(gòu) 圖5-1 基于放療的P53損傷響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)模型 IR doseDSBs generationand repairATMactivationP53-MDM2feedback loopSignal transferring to regulate the process of DNA damage repair and cell apoptosisOncogenesover-expressionARFa

19、ctivation 5.2 模型實(shí)現(xiàn)模型實(shí)現(xiàn)- DNA損傷修復(fù)模塊損傷修復(fù)模塊圖5-2 DSBs損傷修復(fù)動(dòng)力學(xué)模型圖D1kdc1kdc2kcf2kfw1kw2kcd1kcd2DSB Fixed DSBD2C1C2FrFwDSBCkcf1 5.2 模型實(shí)現(xiàn)模型實(shí)現(xiàn)- ARF激活模塊激活模塊圖5-3 放療過程中ARF激活模塊示意圖學(xué)模型圖IR doseARFARF* konfOncogenes 5.2 模型實(shí)現(xiàn)模型實(shí)現(xiàn)- P53-MDM2反饋調(diào)控下的腫瘤治療反饋調(diào)控下的腫瘤治療圖5-4 放療過程中ARF激活模塊示意圖學(xué)模型圖Basalmdm2OncoP53D P53RP53PP53*MDM2DMD

20、M2RMDM2PToxinsATM*ARF*DegradationBasalp53 5.3 部分動(dòng)力學(xué)仿真部分動(dòng)力學(xué)仿真-1050100150200250300024681012141618不同強(qiáng)度放療作用下的DSBCs 合成以及修復(fù)蛋白數(shù)量變化的動(dòng)力學(xué)軌跡圖 （a) 放療時(shí)間(Min) 濃度RP under IR=6GyRP under IR=9GyRP under IR=15GyDSBCs under IR=6GyDSBCs under IR=9GyDSBCs under IR=15Gy濃度05010015020025030035040000.10.20.30.40.50.60.70.80

21、.91不同強(qiáng)度放療作用下的致癌基因過度表達(dá)以及ARF活化的動(dòng)力學(xué)過程(b) 放療時(shí)間 (Min) Onco under IR=6GyOnco under IR=9GyOnco under IR=15GyARF* under IR=6GyARF* under IR=9GyARF* under IR=15Gy 5.3 部分動(dòng)力學(xué)仿真部分動(dòng)力學(xué)仿真-201002003004005006007008000.10.20.30.40.50.60.70.80.915Gy放療作用下，P53* 在分別受到ATM*以及ARF與ATM*共同作用而產(chǎn)生的不同阻尼振蕩過程(c) 放療時(shí)間 (Min) 濃度P53* un

22、der both ATM* and ARF*P53* under ATM*010020030040050060070000.020.040.060.080.10.120.140.160.180.2P53*調(diào)控作用下的致癌基因表達(dá)抑制以及ARF*濃度變化動(dòng)力學(xué)軌跡圖(d) 放療時(shí)間 (Min) 濃度Onco under IR=6GyOnco under IR=9GyOnco under IR=15GyARF* under IR=6GyARF* under IR=9GyARF* under IR=15Gy 6.1 模型架構(gòu)模型架構(gòu) 圖6-1腫瘤放療下的細(xì)胞響應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型模型 Signal tran

23、sferring to regulate the processes of DNA damage repair and cell apoptosis DSBs generationand repairATM activationIR doseP53-MDM2 feedback loopOncogenesARF activation 6.2模型實(shí)現(xiàn)模型實(shí)現(xiàn)- ATM與與ARF激活模塊激活模塊圖6-2 放療過程中ATM與ARF激活模塊示意圖kafATMDATMATM*kundimC (DSBCs)ARFARF*Oncogenes over-expressionkonfF(C, ARF*, ATM*)karkdim 6.2 模型實(shí)現(xiàn)模型實(shí)現(xiàn)- P53-MDM2放療模塊改進(jìn)放療模塊改進(jìn)圖6-3改進(jìn)后的P53-MDM2放療模塊示意圖OncoP53DP53RP53PP53P*mP53RMDM2DMDM2RMDM2PToxi