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基因调控网络模型的研究

刘贝李勇孟繁疆芦艳敏
（东北农业大学工程学院，哈尔滨，150030）
摘要：基因调控网络的研究是从基因之间相互作用的角度揭示复杂的生命现象,是功能基因组学研究的重要
内容,也是当前生物信息学研究的前沿。本文介绍了基因调控网络的分析与重构，详细分析了布尔网络模型、
线性组合模型及加权矩阵模型和贝叶斯网络模型几种经典调控网络模型,并阐述了各个模型在实际中的应
用，最后对这几种模型的优缺点作以比较。
关键词:基因调控网络;布尔网络模型;线性组合模型;加权矩阵模型;贝叶斯网络模型
ResearchOnGeneRegulatoryNetworksModels
LIUBei,LIYong,MENGFan-Jiang,LUYan-Min
(EngineeringAcademy,NortheastAgriculturalUniversity,Harbin150030)
Abstract:Generegulatorynetworks(GRN),whichfocusesonthecomplexinteractionsofgenesinlife,isan
importantpartinthestudyofthefunctionalgenomicsandisthefrontierofbioinformaticsresearch.Thispaper
reviewsanalysisandreconstructionofGRN,analyzesseveralmodels:Booleannetworks,linearmodels,weighted
matrixmodels,Bayesiannetworks,expoundstheapplicationsofeachmodelandcomparestheirmetricsand
disadvantages.
Keywords:Generegulatorynetworks；Booleannetworks；linearmodels；weightedmatrixmodels；Bayesian
networks
1基因调控网络的分析和重构在的调控关系。我们对基因调控网络进行分析，目
的是希望借此可以对模型的适应性能做出评价，但
1.1基因调控网络分析我们更感兴趣的是调控网络的“逆向工程”问题，
一个基因的表达受其他基因的影响,而这个基也就是给定一个基因表达数据集，我们怎样从中推
因又影响其他基因的表达,这种相互影响相互制约导出潜在的基因调控网络。“逆向工程”很显然需
的关系构成了复杂的基因调控网络.更一般些,几要使用适合于模拟现实世界的数学模型。如果不清
乎所有的细胞活动都被基因网络所控制.对系统楚基因调控网络的具体结构（例如哪个基因对其他
科学的研究促使生物学家以系统的观点认识高度基因产生了调控的影响），这时选用的参数模型应
复杂的生命现象.生命是存储并加工信息的复杂该更具有代表性和简单化，可以对识别数据下潜在
系统,孤立地研究单个基因及其表达往往不能确切的分子调控机制提供帮助。一旦清楚了调控网络结
地反映生命现象本身的内在规律.因此,需要从复构，可以选择使用更加复杂的模型来估计像绑定和
杂系统的角度研究基因网络.降解常数这样核个体见作用机制密切相关的细节
所谓基因调控网络分析，是指已知一个已经建参数。
好的基因调控网络模型和一组实际的基因表达数
2基因调控网络模型的研究
据，对该基因调控网络进行研究，看这组数据和该
从一个初始提供的基因表达数据和调控机制
网络模型的吻合程度，若吻合程度很好，则说明该
先验知识建立起的模型开始，系统行为可以在各种
网络模型较好的描述了这组基因表达数据下潜在
各样的实验条件下进行模拟。将模拟表达数据和观
的基因调控关系，从而推导出潜在的调控网络模型
察得到的真实表达数据做以比较，就可以给出模型
和其他一些相关信息。
适应性评价。如果模拟数据和真实数据不匹配，并
1.2基因调控网络重构且真实数据可靠，则有必要继续对模型进行修正。
基因调控网络的重构即基因调控网络的“逆向不断地重复重构和修正网络模型，模拟生物系统行
工程”问题，是指已知一组生物的真实基因表达数为，测试的预测结果的工作，直到获得一个理想的
据，建立基因调控网络模型，使其能够很好的和实模型，其可以很好的与真实基因表达数据相吻合。
际的数据相吻合，从而推断调控网络各节点之间潜一般来说基因调控网络有如下特点：

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(1)复杂的高维结构式来表示,例如:AandnotB→C表示“如果A基
网络中节点和边的数目庞大。染色质构象，结因表达,且B基因不表达,则C基因表达”。以有
构基因上游各种各样的调节序列，反式作用因子，向图G=(V,H)表示布尔网络,其中V是图的节
RNA聚合酶活性等因素都决定了基因调控