Генные сети как объект моделирования. Методы моделирования генных сетей и их классификация. Проблемы математического моделирования генных сетей.

 

Генные сети – молекулярная основа жизни.

Функционирование живых организмов контролируется информацией, закодированной в их геномах. Генетическая информация считывается и преобразуется с помощью фундаментальных генетических процессов: репликации, транскрипции, трансляции и др. Синтезируемые на их основе генетические макромолекулы (ДНК, РНК и белки) взаимодействуют друг с другом, обеспечивая функционирование генных сетей.

 

Специфика объекта моделирования

 Рассматриваемые системы могут состоять из сотен и тысяч компонентов с очень сложной структурно-функциональной организацией, функционирующей на многих иерархических уровнях живых систем:

1)Биохимический уровень (биохимические процессы и реакции)

2)Генетический уровень (расположение и ориентация генов и регуляторных элементов, регуляция экспрессии генов, матричные ориентированные процессы, полиаллельность и т.д.)

3)Субклеточный и клеточный уровни (компартментализация, процессы межкомпартментного обмена веществами и энергией, активный и пассивный транспорт и т.д.)

4)Органный, тканевой и организменный уровни (сверхкомпартменты, взаимодействие с внешней средой)

5)Популяционный уровень (взаимодействие между особями и с внешней средой, возрастная структура популяции, эволюционные процессы)

 

В большинстве случаев, эти объекты обладают нелинейным поведением в силу наличия в них отрицательных и положительных обратных связей.

Биологические системы является самовоспроизводящимися динамическими системами.. Особенностью функционирования биологических систем во времени является то, что у них, как правило, в процессе функционирования не остаются постоянными параметры пространственной организации, а также могут меняться характеристики генетического строения.

Факторы изменения пространственной организации строения биологической системы: рост организмов, регенерация органов и тканей, деление и гибель клеток, органелл, размножение организмов, метаморфоз и т.д.

Факторы изменения генетического строения биологической системы: репликация, рекомбинация, мутации, делеции, вставки, деление клеткок, слияние половых клеток, трансгенез, привнесение новых геномов или частей генома путем внедрение в биологическую систему других биологических систем, как то вирусов, бактерий, паразитов, параллельный перенос генетической информации и т.д.

 

Классификация методов моделирования динамики генных сетей с привязкой ко времени:

• непрерывные методы

• дискретные методы

• гибридные методы

 

Классификация методов моделирования динамики генных сетей с привязкой к биологическому процессу:

 • детерминистический подход (подходы, основанные на применении дифференциальных и интегро-дифференциальных уравнений)

• стохастический подход

• логический подход

 

Классификация методов моделирования динамики генных сетей, основанная на типах формализации молекулярно-генетических процессов:

• химико-кинетический подход и его обобщения

• подходы, основанные на дифференциальных уравнениях в частных производных (модели пространственно распределенных систем)

• сети Петри и их обобщения

• Булевы сети и обобщенные логические сети

• Байесовы сети и их обобщения

• пороговый метод и его обобщения (использование кусочно-линейных дифференциальных уравнений и логического подхода)

• стохастическое моделирование и его обобщения

• методы, основанные на системе правил (экспертные системы)

 

Проблемы математического моделирования генных сетей возникают на стадии построения, расчета и адаптации моделей:

• решение систем дифференциальных уравнений

• модели в основном состоят частично из системы ДУ и дискретной части

• решение обратной задачи

• и т.д.

 

Верификация параметров математических моделей динамики генных сетей

Основные проблемы:

• Пробелы в знании структурно-функциональной организации некоторых частей генных сетей (посредники, механизмы протекания процессов и т.д.);

• Нехватка количественных данных, пригодных для адаптации конкретной модели;

• В базах данных в основном накапливаются качественная описательная информация (информация о структурно-функциональной организации генной сети, механизмы различных процессов, организация регуляторных участков генов и т.д.), а также количественная информация статического характера (константы ферментативных реакций, массы белков, длины нуклеотидных последовательностей и т.д.);

• Рассредоточение кинетических данных в огромном количестве научных публикаций (слабоструктурированность данных);

• Гетерогенность данных (наборы экспериментальных динамических данных получаются в своих конкретных условиях, при разных экспериментальных воздействиях в различные моменты времени и т.д.).