基于控制理论的基因调控方法揭示随机基因表达中动态稳态的定量约束
分子网络
2025-08-13 v1 生物物理
定量方法
摘要
细胞表型动态稳态与细胞内反应的本质随机性形成鲜明对比。尽管对主管调控基因（MRG）的反馈控制是维持基因网络表达范围的关键策略，但对于在噪声下实现此类动态稳态的定量约束及相应机制的理解仍存空白。本文将 MRG 表达建模为随机过程，将下游基因视为感知器，后者对条件性诱导 MRG 活性作出响应。我们表明，在稳态 regime 下：i. 利用随机模型的精确解和精确随机仿真算法（SSA），可以将 MRG 表达水平的轨迹调节至特定范围；ii. 存在一种抽样频率可优化 MRG 活性的反馈控制，非最优控制则导致替代的稳态动力学；iii. 对 MRG 活性的反馈控制导致更新强度和时间间隔呈非线性关系；iv. MRG 启动子的 ON 状态概率的动力学受限于狭窄的域内。我们的结果有助于理解尽管存在随机性，动态稳态背后的定量约束，阐明替代性、非最优稳态制度的机制，并可为面向基因网络调控的理论荷典疗法提供参考。
引用
@article{arxiv.2508.09038,
title = {A control theoretical approach to gene regulation raises quantitative constraints for dynamic homeostasis in stochastic gene expression},
author = {Guilherme Giovanini and Cyro von Zuben de Valega Negrão and Ammar Alsinai and Alexandre Ferreira Ramos},
journal= {arXiv preprint arXiv:2508.09038},
year = {2025}
}
备注
13 pages, 5 figures, submitted to Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Molecular Basis of Disease