MicroRNA和转录因子合作调控基因网络的动力学分析

The discovery of microRNAs (miRNAs) with biological function was awarded twice by Science Journal as the most important scientific breakthrough in the world. The role of miRNAs has become one of the hotspots in the field of gene regulatory network research. The combinatorial regulation of miRNAs and transcription factors exists widely in gene regulatory network. And the combinatorial regulation plays a key role in a wide variety of biological processes and different diseases. However, the dynamical mechanism of this combinatorial regulation is not yet clear. Based on our present work foundation, by adopting dynamic and control theory, this project intends to research the dynamical mechanism of this combinatorial regulation of miRNAs and transcription factors in gene regulatory network. The research will include the regulatory mechanism of combinatorial regulation involving miRNAs and transcription factors in gene regulatory network motifs, the effects of time delay on these motifs, and dynamic mechanism or special function of combinatorial regulation involving miRNAs and transcription factors in the process of inducing pluripotent stem cell and promoting stem cell differentiation. The obtained theoretical results will be used to explain logically the corresponding gene regulation mechanism and biological function. By doing so, it will open and provide a new idea or method to research the combinatorial regulation of miRNAs and transcription factors using dynamic and control theory. Meanwhile, it will be valuable on this new important science field.

近十年来，Science两次把microRNA（miRNA）生物功能的发现作为国际上重大科学发现。MiRNA在基因调控中的作用是其中关注的热点之一。MiRNA和转录因子在基因调控网络中存在着广泛的合作调控，这种合作调控在多种生物过程中起着关键的作用。然而，这种合作调控的动力学机制尚不清楚，本项目拟在我们原有工作基础上，用动力学和控制理论系统研究miRNA和转录因子合作调控基因网络的动力学机制，包括miRNA和转录因子的合作调控在基因网络模体中的调控机制，时滞对合作调控的动力学影响以及这种合作调控在诱导多功能干细胞和促进干细胞分化方面所采用的动力学机制和具有的独特功能。所得理论结果将用来合理解释相应的基因调控机制和生物功能。这项工作开创了用动力学和控制方法研究miRNA和转录因子合作调控的思想和方法，将在这一新的重要科学领域做出有意义的研究。

MicroRNA(miRNA)和转录因子(transcription factor, TF)是两类最大的基因表达调控的重要调控因子。近几年的实验研究证明转录因子和miRNA 在调控网络中关系紧密，存在着广泛的合作调控，因此，转录因子和miRNA及其调控基因网络组成了一个复杂的合作调控网络，为我们从理论上研究基因调控的动力学机制带来巨大挑战。.课题就是在这个背景下提出的。课题是以具体的生物系统为范例，以理论研究为主，属于交叉性的研究。通过一年的研究，已经得到有成效的工作，较好地完成了所提任务。(1) 研究了HIV-1病毒基因调控网络的动力学行为，特别地，为了分析病毒潜伏期，病毒产生周期以及免疫响应周期对HIV-1病毒系统的影响，相应的引入了三个时滞，研究结果表明时滞对系统的稳定性及分叉行为有重要影响，因而对控制HIV-1病毒有重要作用。相关结果已发表在International Journal of Bifurcation and Chaos上。(2) 提出了一个带有扩散和时滞的HBV基因调控网络模型，进一步研究了系统的全局稳定性，扩散和时滞分别对基因调控网络的影响。研究结果投稿于Mathematical Methods in the Applied Sciences。(3) 研究了一个motif中，扩散和转录时滞，翻译时滞对miRNA和转录因子合作调控的动力学影响。研究结果投稿于Journal of Theoretical Biology上。.总之，项目组全面完成了申请时提出的研究任务。