[发明专利]一种细胞基因翻译过程建模方法

说明书

本发明涉及一种细胞基因翻译过程建模方法，包括以下步骤：根据物种的实验数据得到每一个基因在每一个离散时间点该基因是否表达；查询每个离散时间点的基因，如果基因表达，则初始化；否则不进行初始化；通过各时间点上各基因对应的mRNA拷贝数量与前一个时间点上mRNA数量对比得到各种mRNA中初始化的数量；计算mRNA分子的总初始化速度；计算核糖体分子在对应mRNA上的总延伸速度；根据总初始化速度和总延伸速度得到事件的概率；根据事件概率的权重，随机选择一个事件；更新各种分子的状态。本发明采用基于完全不对称简单排斥过程的原理，同时考虑基因的表达动态变化，使得翻译过程呈现出时间序列特征，更接近细胞发育的本质，适合研究细胞动态发育性质。

技术领域

本发明涉及一种酿酒酵母菌基因动态翻译过程建模的方法，属于生物信息技术、计算方法与计算机虚拟现实技术。

背景技术

细胞的新陈代谢、生长和分化等许多基本的生命现象都受到细胞内基因表达的控制，而基因的这种调控作用则是通过其相应的基因产物来实现的。蛋白质是最重要的基因产物之一，因此其合成也是细胞内最基本和最关键的反应之一。越来越多的实验证据表明，蛋白质的正常翻译对细胞维持正常功能起到关键至关重要的作用。正常的细胞不能忍受基因翻译过程中的严重错误。在细胞的一个生命周期，基因的表达式有序进行的，什么阶段需要表达哪些基因是受到细胞自身以及外界环境共同决定的。一般来说，细胞内因起主导作用。这个过程可以用基因表达的时间序列来描述。在生物试验中已经有很多相关的研究。基因调控网络是一个连续而复杂的动态系统,基因间的调控是随时间、环境变化的动态事件,基因组DN A微阵列为研究者提供了较好的认识调控网络的工具。时间序列基因表达数据包含着丰富的基因调控信息,可以想象,位于基因调控网络上游基因的变化,理应处于下游基因的前面。当上游基因(比如转录因子T F)的表达发生变化以后,这种变化会沿着基因调控网络传播。当测量了每个基因在不同时间的表达水平以后,就能从这种时间序列数据中反推得到关于基因之间调控顺序以及调控对象的重要信息。一般认为,时间序列基因表达数据与同样大小的静态基因表达数据相比,含有更大的推导基因调控网络的信息量。时间序列表达实验是在不同的时间点对细胞周期以及特定状态条件下的基因表达进行测定，比如基因敲除实验,疫苗暴露实验,细胞有丝分裂周期实验等,以观测各个时间点上或细胞周期中基因表达的变化情况,寻找调控基因和目标基因。它和一般静态表达实验的主要区别有两点:一是静态表达实验是对不同样本在同一时间点上的测量,而时间序列表达实验则是对同一样本在几个时间点进行连续测量；二是时间序列表达实验的测量值在连续的时间点上有较强的自相关,而静态表达实验要求样本的测量值服从独立同分布的条件。

细胞内蛋白质的翻译一般被分为三步：起始、延伸和终止。其中负责基因翻译的关键物质是核糖体。

真核细胞基因翻译过程建模方法主要有二种：

第一类是基于微分方程组的方法。按照核糖体的结合位点将核糖体分成若干种类——自由核糖体，结合在位点1上的核糖体，结合在位点2上的核糖体,…,结合在位点n上的核糖体，…,最后一个位点上的核糖体。然后针对核糖体的每个状态浓度的变化情况写出化学反应对应的关系，然后针对上步写出来的化学反应关系，得到每个状态浓度变化的微分方程式。这种方法是生物建模最常用的方法之一。因为蛋白质合成由一系列标准的生化反应,这种方法在原则上是可行的。然而,由于伸长的周期性和多个伸长过程可以发生在一个模板,因此这个过程不像大多数其他酶系统那么简单，而且整个过程会发生占位堵塞效应，因此使用单纯的微分方程组建模不容易反应翻译过程的动态的细节，而且在营养供应发生变化的情况下，相关的参数也会有变化，因此相关的参数不好估计。