多路径下基因的转录平均水平与噪音强度摘要基因表达及其调控是分子生物学的核心问题,是当前生命科学研究的重要分支。
作为国际上研究的热门课题,它引起了生物、化学、物理、医学等领域专家的广泛关注。
基因转录是基因表达的第一步,也是最为关键的一步。
由于RNA观测技术的发展,比如对单个活细胞中RNA合成的实时观测,生物学家们发现基因是以随机的、不连续的、爆发的方式转录的。
基因转录的随机性直接导致了RNA与蛋白质的不均匀、不规则分布。
近年来,许多科学家对基因表达的随机性产生了浓厚的兴趣,并运用数学方法进行了深入的研究。
通过研究，当我们确定了表达式之后，就能更科学地表达基因表达的随机性本课题的重点是理解微分方程和随机分析的方法，建立随机基因表达的数学模型，得到了由模型参数确定的mRNA或蛋白质数量的均值、噪声、噪声强度、及概率分布函数的解析表达式。
关键词：基因转录，噪音，噪音强度，mRNAAbstract:gene expression and regulation is the core issue of molecular biology, is the most important branch of life science research. As a hot topic of research in the world, it has attracted extensive attention in biology, chemistry, physics, expert medical fields. Gene transcription is the first step of gene expression, but also the most critical step. Due to the development of RNA observation techniques, such as a single live real-time observation synthesis in RNA cells, biologists found that the gene is in a random, discontinuous, burst mode of transcription. Random gene transcription and protein RNA directly leads to the uneven, irregular distribution. In recent years, many scientists of random gene expression had a strong interest in, and studied by using mathematical method. Through the study, when we determine the expression, can more scientific expression of random gene expressionThe focus of this project is to understand the method of differential equation and stochastic analysis, a stochastic gene expression model, analytical expressions for the mean number of mRNA or protein, noise, noise intensity, and the probability distribution function is determined by the parameters of the model are obtained.Keywords: gene transcription, noise, noise intensity, mRNA目录摘要 (1)Abstract: (2)1.绪论 (4)1.1 生物背景 (4)1.2 基因转录过程 (5)1.3 关于基因转录噪声的研究 (7)2. 多路径下基因的转录平均水平............................................................... 错误！未定义书签。
2.1 mRNA的平均表达水平.................................................................... 错误！未定义书签。
2.2 均值的计算..................................................................................... 错误！未定义书签。
3. 基因转录噪声........................................................................................... 错误！未定义书签。
3.1基因转录噪声强度及影响因素...................................................... 错误！未定义书签。
3.2 噪声的计算..................................................................................... 错误！未定义书签。
4.总结 (8)参考文献 (8)1.绪论1.1 生物背景世界上所有的生物,从低等的细菌到人类自身,全部都是由细胞构成。
细胞是生命存在的基本结构单位及功能单位。
地球上绝大部分的有机生命体是单细胞生物,但人体却是由ICP到lOM多个细胞构成的,这些细胞根据其特征和功能可以划分为200多种不同的类型。
细胞之所以会表现为不同的种类,是由于每个细胞中都含有大量的不同种类的蛋白质。
蛋白质是细胞中含量最丰富的生物分子,同样也是功能最多样的大分子,它是遗传信息的体现者,因而也被称为功能分子,它们在所有生命过程中都起着极为重要的作用。
每种蛋白质都具有不同的功能,正是蛋白质的这种特性决定了细胞的功能及特征。
蛋白质的生成过程实际是DNA上相应基因的表达过程。
生命的遗传信息蕴藏于DNA链中,在基因表达过程中,遗传信息先被传递给RNA分子,然后再传给蛋白质,以蛋白质的形式体现出来。
其中DNA是生物的遗传信息的载体,它的功能的实现要依赖于蛋白质。
以DNA链上的编码序列为模板合成与DNA互补的RNA的信息传递过程称为转录(transcription),而由RNA生成蛋白质的过程称为翻译(translation)。
除了某些RNA病毒的基因组外,所有的RNA都是转录的产物。
基因转录是基因表达的第一步,也是最为关键的一步。
一个基因能否正确表达的关键是在转录阶段,所以阐明转录的分子机制对了解基因表达极为重要。
基因转录在所有生命中都处在核心地位,它将储存于基因中的信息传输给用于RNA和蛋白质生产的指令。
它直接或间接地影响到所有重要的生理活动,例如细胞生长发育,细胞分裂和有机体的进化等[5]。
尽管转录在生命中扮演着核心的角色,但它是建立在一系列分子间的相互作用的基础上的:DNA分子的一些构象的变化;核内蛋白在核奖内自由的游走或无规则的相互碰撞;转录因子随机地粘附或脱离启动子的束缚区[15-18]。
因此从本质上讲,转录是一种随机的动力学行为。
所有细胞,从相对简单的细菌到复杂、高度专业化的多细胞生物体的细胞都必须能够应对不断变化的环境。
当细胞内部或外部环境发生变化时,细胞必须适应,并产生相应的机制应对这些变化,使细胞处于相对稳定状态,保持生物体生长、生存。
也就是说,细胞必须能够掌握控制其自身所必须的生物分子的合成及分解的方法,如氨基酸的合成和碳水化合物的分解等。
基因表达是一种内在的随机过程,是一个复杂的生化反应,在这个过程中DNA分子与许多反应元素(如mRNA,转录引物,转录因子,调控因子,RNA聚合酶以及多种含量较少的酶)随机碰撞并发生反应。
在单个细胞中基因转录是一种随机过程,即使是在同一均匀的细胞环境内,转录的随机性也会使得转录产物,乃至最终合成的蛋白质在数量及分布上呈现出波动性。
转录产物在不同细胞中分布的不均勻性,使得处于同类细胞群体中的细胞的功能及表现形式互不相同。
1.2 基因转录过程我们首先来了解遗传信息是如何表达的,即细胞通过基因(DNA的一串碱基)如何指导信使RNA和蛋白质的合成的,其中蛋白质在生命活动中主要起到的作用是行使细胞功能和定义细胞特性。
从一个基因片段到相应蛋白质的生成要经过一系列的基本过程:转录,RNA加工及翻译,蛋白质的合成,如图1-1所示。
因而转录过程是基因表达的第一步,它在化学和酶学上与DNA的复制非常相似。
它们都是通过酶的作用合成一条与DNA模板互补的核酸链,但转录产物与DNA模板并不是完全互补。
DNA复制与转录之间存在一些重要的差别,例如复制生成的产物是脱氧核糖核酸,在构象上呈双链结构,它在构成上与模板DNA双链完全一致,而转录得到的新链是由核糖核酸构成,而不是脱氧核糖核酸,形状上为单链结构。
其次,复制的精确性要比转录高出许多,转录过程中,每添加10,000个核苷酸会发生一次错误,而复制过程则10,000,000个核苗酸才发生一次错误[19]。
基因转录机制的特征主要体现为以下几点:1.基因转录只能从基因的特定的键位(启动子)处起始,并且是在某种催化剂(RNA 聚合酶,RNA polymerase)与启动子结合后完成。
DNA是遗传信息的载体,而遗传信息主要存储在基因的编码区。
在真核细胞中,基因稀疏地分布在DNA链上,高等生物的基因片段只占据了整条DNA链的极小一部分,其余大部分区域不含有遗传信息,例如人类的基因在DNA上所占的比例不足3%。
而在某些细菌中,基因片段几乎占据了它的整条DNA链,甚至某些相邻的基因片段可以共享部分核苷酸或者某个基因镶嵌在另一个基因内部。
基因按其功能结构可分为调控区与编码区,其中编码区是存储遗传信息的地方。
大部分基因的调控区位于编码区的上游,在基因转录过程中主要起到调节作用。
在转录初始阶段,转录因子会识别调控区的碱基键位,并链接到这些碱基键位上,形成转录装置引导、促进RNA聚合酶结合到编码区的起始键位处。
图1-1基因的转录,翻译及蛋A质的合成2.构成RNA链的碱基与模板DNA链按碱基配对原则呈互补状,但DNA链中的胸腺啼淀(thymine, T)在转录生成物RNA中被替代成了尿啼淀(uracil, U)。