植物生物钟的分子机制及模型分析(源码)
生物钟是生物体的一个内在计时器，它使生物体能够预测并适应环境的日常变化。植物生物钟是一个复杂的网络，它由环环相扣的反馈环构成（转录因子互相调控由此产生振荡，即在一天中某个特定时间达到表达高峰）。基于生物实验，前人不断添加调控因子，丰富生物钟网络机制，种用于描述生物节律的数学模型也被建立起来。本文以文献中的数学模型为基础，改进Didier Gonze 所提出的八基因网络。这里，八个基因分别是根据最新的生物钟分子机制，CL(CCA1,LHY)对P97(PRR9,PRR7)的促进作用更新为抑制作用，同时促进和抑制作用分别采用希尔函数和米式函数，降解方式采用米式形式。通过数值模拟，模型描述了八个时钟基因mRNA/蛋白质丰度的日常变化并在定性水平上描述了生物钟的重要性质，即野生型生物钟的诱导和自由周期的行为，以及敲除基因的突变体的功能缺失（例如改变的自由周期，无诱导现象或者其他时钟基因表达量的改变）。另外，我们的模型还再现了在不同光周期（如极端光照和非24小时循环的光照）下的复杂响应。
目录
摘要3
关键词3
Abstract3
Key words3
1 引言4
2 模型4
2.1 对四组基因进行建模 4
2.1.1. 黎明基因：CCA1和LHY4
2.1.2. 夜晚基因：ELF4和LUX5
2.1.3. PRR基因家族：PRR5，PRR7，PRR9和TOC15
2.1.4. 光诱导的促进作用：蛋白质P6
2.2 模型方程6
3 结果7
3.1 野生型时钟7
3.2 突变体时钟 9
3.2.1. cca1,lhy和cca1lhy突变体10
3.2.2. prr9,prr7和prr9prr7突变体11
3.2.3. prr5,toc1和prr5toc1突变体11
3.2.4. elf4和lux突变体11
3.3 光暗循环导致的夹带现象12
3.3.1. 黎明敏感性和夜晚敏感性12
3.3.2. 夹带和释放12
3.3.3. 外来光输入：非24h循环和S *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
KELETON光周期13
4 分析和讨论14
5 数值模拟以及相应的程序15
致谢16
参考文献16
植物生物钟的分子机制及模型分析
引言
1 引言
生物钟是一个內源性计时器，它可以使生物预测昼夜循环，从而提高它们的适应性。在植物中，生物钟可以调节很多种过程，包括下胚轴和根部生长，开花时间，糖分的新陈代谢，光合作用，营养平衡，激素信号还有免疫力。节律振荡源于细胞水平上至少12个时钟基因的相互作用。因为生物钟网络由许多环环相扣的反馈圈组成，在直观上，我们很难理解它的行为，因此数学模型是一个很有用的工具，可以帮助我们来理解它[1]。
在发现时钟基因CIRCADIAN CLOCK ASSOCIATED 1(CCA1)，LATE ELONGATED HYPOCOTYL (LHY) and TIMING OF CAB EXPRESSION 1 (TOC1)不久后，人们提出第一个在模型植物拟南芥中的关于振子的概念模型。例如，Alabadí 等基于实验观察到的相互调控，在2001年提出了一个CCA1/LHY和TOC1之间的正负反馈循环，而Matsushika等在2000年猜测了一个条码时钟，它是由五个PSEUDORESPONSE REGULATOR (PRR)基因家族（一天中有序的表达）的成员组成，Locke等(2005a) 建立了第一个数学模型，使用常微分方程（ODEs）来描述不同的生物钟组成成分浓度的日常变化。第一个模型正式描述了以前提到的反馈循环（CCA1，LHY和TOC1之间），在这个模型里，两个部分多余的早晨阶段的基因CCA1和LHY抑制了晚上阶段基因TOC1（反过来促进CCA1和LHY的表达）的表达。这个简单的机制能够产生一个24小时的自由节律，但是不能产生更多的复杂性质例如光周期性的适应性或突变体表型变化，尽管如此，这是在研究生物钟方法上的一个质的飞跃，在接下来的十年里，随着更多的时钟成分被发现，Locke模型进一步被丰富。在前一个模型基础上，增加新的基因和调控机制，并随着新发现的修正时钟成分的作用。最重要的修改是关于转录因子TOC1的角色：起初被认为促使CCA1/LHY的表达，后来发现是许多时钟成分的抑制剂，包括CCA1/LHY[2]。
人们也发展了一些不是基于ODEs的方法，例如Akman等描述的Boolean模型。线性的时间不变（LTI）系统，一种黑箱模型，成功地用来研究时钟对于环境刺激的响应。每种模型有它自己的优点和缺点，不同的方法可以满足不同生物钟研究的要求。例如，LTI系统准确地预测了哪个时钟基因感知独特的环境信号，但是不提供关于驱动振荡的机制的信息。
最近的趋势是Ostreococcus tauri的研究和建模，Ostreococcus tauri是一个单细胞藻类，它的核心生物钟由CCA1的同源体和TOC1构成的反馈环组成。这个系统被建模并用来研究光感知和诱导。
2 模型
2.1 对四组基因进行建模
考虑到很多已知的时钟成分和他们之间的高度冗余性，我们选择合并一些相似的基因把它们看作单个变量（使我们包含许多有特点的基因，且不需要很多几乎等同的方程）。这个方法不是创新性的，之前已经成功地被用到很多时钟基因上，尤其是CCA1和LHY（在所有以前ODE为基础的模型中被当做一个整体），在这里，我们用相同的方法延伸到其他两对基因中。我们的模型结构，包括四组，每组两个基因。每对基因有相似的表达方式，调控因子，靶和缺失功能突变体中的缺陷[3]。
2.1.1. 黎明基因：CCA1和LHY
黎明阶段的基因CCA1和LHY是属于MYB超级家族的转录因子。他们在时钟里起到很大的多余作用（尽管不是完全多余的）。他们被PRR基因家族负调控，并抑制许多夜晚阶段基因的表达，包括TOC1，EARLY FLOWERING 4 (ELF4)，和LUX ARRHYTHMO (LUX)。CCA1和LHY还结合到黎明基因PRR9和PRR7的启动子上，并对他们的表达有正调控，但是还不清楚这种作用是直接还是间接的。这两个基因的表达受光暗转换诱导，光同时也促进LHY mRNA的翻译和降解。
目录
摘要3
关键词3
Abstract3
Key words3
1 引言4
2 模型4
2.1 对四组基因进行建模 4
2.1.1. 黎明基因：CCA1和LHY4
2.1.2. 夜晚基因：ELF4和LUX5
2.1.3. PRR基因家族：PRR5，PRR7，PRR9和TOC15
2.1.4. 光诱导的促进作用：蛋白质P6
2.2 模型方程6
3 结果7
3.1 野生型时钟7
3.2 突变体时钟 9
3.2.1. cca1,lhy和cca1lhy突变体10
3.2.2. prr9,prr7和prr9prr7突变体11
3.2.3. prr5,toc1和prr5toc1突变体11
3.2.4. elf4和lux突变体11
3.3 光暗循环导致的夹带现象12
3.3.1. 黎明敏感性和夜晚敏感性12
3.3.2. 夹带和释放12
3.3.3. 外来光输入：非24h循环和S *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
KELETON光周期13
4 分析和讨论14
5 数值模拟以及相应的程序15
致谢16
参考文献16
植物生物钟的分子机制及模型分析
引言
1 引言
生物钟是一个內源性计时器，它可以使生物预测昼夜循环，从而提高它们的适应性。在植物中，生物钟可以调节很多种过程，包括下胚轴和根部生长，开花时间，糖分的新陈代谢，光合作用，营养平衡，激素信号还有免疫力。节律振荡源于细胞水平上至少12个时钟基因的相互作用。因为生物钟网络由许多环环相扣的反馈圈组成，在直观上，我们很难理解它的行为，因此数学模型是一个很有用的工具，可以帮助我们来理解它[1]。
在发现时钟基因CIRCADIAN CLOCK ASSOCIATED 1(CCA1)，LATE ELONGATED HYPOCOTYL (LHY) and TIMING OF CAB EXPRESSION 1 (TOC1)不久后，人们提出第一个在模型植物拟南芥中的关于振子的概念模型。例如，Alabadí 等基于实验观察到的相互调控，在2001年提出了一个CCA1/LHY和TOC1之间的正负反馈循环，而Matsushika等在2000年猜测了一个条码时钟，它是由五个PSEUDORESPONSE REGULATOR (PRR)基因家族（一天中有序的表达）的成员组成，Locke等(2005a) 建立了第一个数学模型，使用常微分方程（ODEs）来描述不同的生物钟组成成分浓度的日常变化。第一个模型正式描述了以前提到的反馈循环（CCA1，LHY和TOC1之间），在这个模型里，两个部分多余的早晨阶段的基因CCA1和LHY抑制了晚上阶段基因TOC1（反过来促进CCA1和LHY的表达）的表达。这个简单的机制能够产生一个24小时的自由节律，但是不能产生更多的复杂性质例如光周期性的适应性或突变体表型变化，尽管如此，这是在研究生物钟方法上的一个质的飞跃，在接下来的十年里，随着更多的时钟成分被发现，Locke模型进一步被丰富。在前一个模型基础上，增加新的基因和调控机制，并随着新发现的修正时钟成分的作用。最重要的修改是关于转录因子TOC1的角色：起初被认为促使CCA1/LHY的表达，后来发现是许多时钟成分的抑制剂，包括CCA1/LHY[2]。
人们也发展了一些不是基于ODEs的方法，例如Akman等描述的Boolean模型。线性的时间不变（LTI）系统，一种黑箱模型，成功地用来研究时钟对于环境刺激的响应。每种模型有它自己的优点和缺点，不同的方法可以满足不同生物钟研究的要求。例如，LTI系统准确地预测了哪个时钟基因感知独特的环境信号，但是不提供关于驱动振荡的机制的信息。
最近的趋势是Ostreococcus tauri的研究和建模，Ostreococcus tauri是一个单细胞藻类，它的核心生物钟由CCA1的同源体和TOC1构成的反馈环组成。这个系统被建模并用来研究光感知和诱导。
2 模型
2.1 对四组基因进行建模
考虑到很多已知的时钟成分和他们之间的高度冗余性，我们选择合并一些相似的基因把它们看作单个变量（使我们包含许多有特点的基因，且不需要很多几乎等同的方程）。这个方法不是创新性的，之前已经成功地被用到很多时钟基因上，尤其是CCA1和LHY（在所有以前ODE为基础的模型中被当做一个整体），在这里，我们用相同的方法延伸到其他两对基因中。我们的模型结构，包括四组，每组两个基因。每对基因有相似的表达方式，调控因子，靶和缺失功能突变体中的缺陷[3]。
2.1.1. 黎明基因：CCA1和LHY
黎明阶段的基因CCA1和LHY是属于MYB超级家族的转录因子。他们在时钟里起到很大的多余作用（尽管不是完全多余的）。他们被PRR基因家族负调控，并抑制许多夜晚阶段基因的表达，包括TOC1，EARLY FLOWERING 4 (ELF4)，和LUX ARRHYTHMO (LUX)。CCA1和LHY还结合到黎明基因PRR9和PRR7的启动子上，并对他们的表达有正调控，但是还不清楚这种作用是直接还是间接的。这两个基因的表达受光暗转换诱导，光同时也促进LHY mRNA的翻译和降解。
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