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A Re-Parametrization-Based Bayesian Differential Analysis Algorithm for Gene Regulatory Networks Modeled with Structural Equation Models
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作者 Yan Li Dayou Liu +1 位作者 Yungang Zhu Jie Liu 《Computer Modeling in Engineering & Sciences》 SCIE EI 2020年第7期303-313,共11页
Under different conditions,gene regulatory networks(GRNs)of the same gene set could be similar but different.The differential analysis of GRNs under different conditions is important for understanding condition-specif... Under different conditions,gene regulatory networks(GRNs)of the same gene set could be similar but different.The differential analysis of GRNs under different conditions is important for understanding condition-specific gene regulatory relationships.In a naive approach,existing GRN inference algorithms can be used to separately estimate two GRNs under different conditions and identify the differences between them.However,in this way,the similarities between the pairwise GRNs are not taken into account.Several joint differential analysis algorithms have been proposed recently,which were proved to outperform the naive approach apparently.In this paper,we model the GRNs under different conditions with structural equation models(SEMs)to integrate gene expression data and genetic perturbations,and re-parameterize the pairwise SEMs to form an integrated model that incorporates the differential structure.Then,a Bayesian inference method is used to make joint differential analysis by solving the integrated model.We evaluated the performance of the proposed re-parametrization-based Bayesian differential analysis(ReBDA)algorithm by running simulations on synthetic data with different settings.The performance of the ReBDA algorithm was demonstrated better than another state-of-the-art joint differential analysis algorithm for SEMs ReDNet obviously.In the end,the ReBDA algorithm was applied to make differential analysis on a real human lung gene data set to illustrate its applicability and practicability. 展开更多
关键词 gene regulatory networks structural equation models JOINT
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Role of Self-Loop in Cell-Cycle Network of Budding Yeast
2
作者 Shu-ichi Kinoshita Hiroaki Yamada 《Open Journal of Biophysics》 2019年第1期10-20,共11页
Study of network dynamics is very active area in biological and social sciences. However, the relationship between the network structure and the attractors of the dynamics has not been fully understood yet. In this st... Study of network dynamics is very active area in biological and social sciences. However, the relationship between the network structure and the attractors of the dynamics has not been fully understood yet. In this study, we numerically investigated the role of degenerate self-loops on the attractors and its basin size using the budding yeast cell-cycle network model. In the network, all self-loops negatively suppress the node (self-inhibition loops) and the attractors are only fixed points, i.e. point attractors. It is found that there is a simple division rule of the state space by removing the self-loops when the attractors consist only of point attractors. The point attractor with largest basin size is robust against the change of the self-inhibition loop. Furthermore, some limit cycles of period 2 appear as new attractor when a self-activation loop is added to the original network. It is also shown that even in that case, the point attractor with largest basin size is robust. 展开更多
关键词 gene regulatory network ATTRACTORS BUDDING yeast Degenerate Self-Loop
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H2 and H-Feedback Control Design for Nonlinear Gene Networks via Successive Galerkin’s Approximation
3
作者 Alexander W. Bae 《Computational Molecular Bioscience》 2022年第2期95-108,共14页
This paper presents a design method of H<sub>2</sub> and H<sub>∞</sub>-feedback control loop for nonlinear smooth gene networks that are in control affine form. Formulaic solution methodology ... This paper presents a design method of H<sub>2</sub> and H<sub>∞</sub>-feedback control loop for nonlinear smooth gene networks that are in control affine form. Formulaic solution methodology for solving the nonlinear partial differential equations, namely the Hamilton-Jacobi-Bellman and Hamilton-Jacobi-Isaacs equations through successive Galerkin’s approximation is implemented and the results are compared. Throughout the implementation, there were several caveats that need to be further resolved for practical applications in general cases. Such issues and the clarification of causes are mathematically established and reviewed. 展开更多
关键词 gene regulatory network GMA System Galerkin’s Approximation Feedback Design of Biomolecular Systems Hamilton-Jacobi equation Nonlinear Control
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基于t检验和逐步网络搜索的有向基因调控网络推断算法 被引量:1
4
作者 陈都 李圆媛 陈彧 《计算机应用》 CSCD 北大核心 2024年第1期199-205,共7页
为了克服基于条件互信息的路径一致算法(PCA-CMI)无法识别调控方向的缺陷,并进一步提高网络推断准确率,提出了一种基于t检验和逐步网络搜索的有向网络推断算法(DNI-T-SRS)。首先,对不同实验条件下的表达数据进行t检验以辨别基因调控的... 为了克服基于条件互信息的路径一致算法(PCA-CMI)无法识别调控方向的缺陷,并进一步提高网络推断准确率,提出了一种基于t检验和逐步网络搜索的有向网络推断算法(DNI-T-SRS)。首先,对不同实验条件下的表达数据进行t检验以辨别基因调控的上下游关系,指导路径一致(Path Consensus)算法中条件基因的选取,根据CMI2(Conditional Mutual Inclusive Information)剔除网络中的冗余边,得到了基于t检验的有向调控关系推断算法CMI2NI-T(CMI2-based Network Inference guided by t-Test);然后,建立有向调控关系对应的米氏微分方程模型对数据进行拟合,根据贝叶斯信息准则进行逐步网络搜索以修正网络推断结果。利用CMI2NI-T推断DREAM6挑战中的两个测试网络,所得到的曲线下面积(AUC)分别为0.7679和0.9796,相较于PCA-CMI分别提高了16.23%和11.62%;通过进一步的数据拟合后DNI-T-SRS的推断准确率分别达到了86.67%和100.00%,相较于PCA-CMI分别提高了18.19%和10.52%。实验结果表明,所提DNI-T-SRS算法能够有效剔除间接调控关系并保留直接调控连接,得到精确的基因调控网络推断结果。 展开更多
关键词 基因调控网络 条件互信息 T检验 逐步网络搜索 米氏微分方程模型 贝叶斯信息准则
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H-Feedback Control of Heparin-Controlled Blood Clotting Network for Cardiac Surgeries
5
作者 Alexander W. Bae 《Journal of Biosciences and Medicines》 CAS 2022年第8期57-67,共11页
This paper presents a solution methodology for H<sub>∞</sub>-feedback control design problem of Heparin controlled blood clotting network under the presence of stochastic noise. The formulaic solution pro... This paper presents a solution methodology for H<sub>∞</sub>-feedback control design problem of Heparin controlled blood clotting network under the presence of stochastic noise. The formulaic solution procedure to solve nonlinear partial differential equation, the Hamilton-Jacobi-Isaacs equation with Successive Galrkin’s Approximation is sketched and validity is proved. According to Lyapunov’s theory, with solutions of the nonlinear PDEs, robust feedback control is designed. To confirm the performance and robustness of the designed controller, numerical and Monte-Carlo simulation results by Simulink software on MATLAB are provided. 展开更多
关键词 gene regulatory network GMA System Galerkin Method Feedback Design of Biomolecular Systems Hamilton-Jacobi equation Nonlinear Control Heparin-Controlled Blood Clotting network
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Biological Network Modeling Based on Hill Function and Hybrid Evolutionary Algorithm
6
作者 Sanrong Liu Haifeng Wang 《国际计算机前沿大会会议论文集》 2019年第2期192-194,共3页
Gene regulatory network inference helps understand the regulatory mechanism among genes, predict the functions of unknown genes, comprehend the pathogenesis of disease and speed up drug development. In this paper, a H... Gene regulatory network inference helps understand the regulatory mechanism among genes, predict the functions of unknown genes, comprehend the pathogenesis of disease and speed up drug development. In this paper, a Hill function-based ordinary differential equation (ODE) model is proposed to infer gene regulatory network (GRN). A hybrid evolutionary algorithm based on binary grey wolf optimization (BGWO) and grey wolf optimization (GWO) is proposed to identify the structure and parameters of the Hill function-based model. In order to restrict the search space and eliminate the redundant regulatory relationships, L1 regularizer was added to the fitness function. SOS repair network was used to test the proposed method. The experimental results show that this method can infer gene regulatory network more accurately than state of the art methods. 展开更多
关键词 gene regulatory network HILL FUNCTION GREY WOLF optimization Hybrid EVOLUTIONARY algorithm Ordinary differential equation
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酵母基因调控网络的微分方程模型研究 被引量:3
7
作者 郭波涛 李辉智 +1 位作者 王文昌 易东 《中国卫生统计》 CSCD 北大核心 2006年第2期129-133,共5页
目的寻求一种新的描述基因调控网络的微分方程模型。方法建立微分方程并应用于酵母基因的时间序列表达数据,最后与试验结果比较。结果微分方程模型所得结论基本与试验结果吻合,并作出了预测。结论该模型弥补了其他线性微分方程模型的不... 目的寻求一种新的描述基因调控网络的微分方程模型。方法建立微分方程并应用于酵母基因的时间序列表达数据,最后与试验结果比较。结果微分方程模型所得结论基本与试验结果吻合,并作出了预测。结论该模型弥补了其他线性微分方程模型的不足,是一种新的有价值的微分方程模型。 展开更多
关键词 酵母 基因调控 微分方程
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基于混合并行遗传算法和阈值限定法的基因调控网络构建 被引量:4
8
作者 郑明 卓慕瑰 +2 位作者 张树功 周柚 刘桂霞 《吉林大学学报(工学版)》 EI CAS CSCD 北大核心 2017年第2期624-631,共8页
为了解决传统基因调控网络构建算法准确度不高的问题,提出了一种基于混合并行遗传算法和阈值限定法的新型基因调控网络构建算法。该算法分缩小解空间和参数拟合两部分,缩小解空间阶段先用奇异值分解法限定数学上可行的基因调控网络,减... 为了解决传统基因调控网络构建算法准确度不高的问题,提出了一种基于混合并行遗传算法和阈值限定法的新型基因调控网络构建算法。该算法分缩小解空间和参数拟合两部分,缩小解空间阶段先用奇异值分解法限定数学上可行的基因调控网络,减少不必要计算,然后用阈值限定法将每个基因的控制基因限定到一定规模,提高计算效率的同时更合乎生物信息学规则。参数拟合部分先用并行遗传算法在整个解空间快速寻优,而后采用爬山法进行小范围细致求解,提高计算精度。实验部分将本文算法应用于人类复杂疾病的皮肤黑色素瘤和2型糖尿病基因调控网络的构建上。本文计算结果与真实网络作对比,验证了本文算法的有效性。同时将本文计算结果与传统遗传算法,粒子群算法进行比较,证明本文算法具有更高的执行效率。 展开更多
关键词 人工智能 混合并行遗传算法 阈值限定法 奇异值分解 微分方程模型 基因调控网络
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基因调控网络建立的生物动力学方程研究 被引量:3
9
作者 刘岭 易东 《第三军医大学学报》 CAS CSCD 北大核心 2007年第8期702-704,共3页
目的基于基因表达的时空特性,寻求一种新的描述基因调控网络的生物动力学方程模型。方法从生物物种竞争动力学系统的角度出发,提出一种新的Lotka-Volterra微分方程模型,并应用于基因的时间序列表达数据。结果将建立的微分方程应用于酵... 目的基于基因表达的时空特性,寻求一种新的描述基因调控网络的生物动力学方程模型。方法从生物物种竞争动力学系统的角度出发,提出一种新的Lotka-Volterra微分方程模型,并应用于基因的时间序列表达数据。结果将建立的微分方程应用于酵母基因的表达调控网络研究,得到了调控关系的预测结果,并与试验结果进行了比较研究。结论本研究的预测结果与试验结果基本吻合,该模型弥补了其他模型的不足,是一种新的有价值的基因表达时空微分方程模型。 展开更多
关键词 基因调控网络 Lotka—Volterra方程 酵母基因表达
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一种基于基因表达模型识别酵母细胞周期条件特异调控子网的方法(英文) 被引量:1
10
作者 刘齐军 王正华 +3 位作者 刘万霖 李栋 贺福初 朱云平 《生物化学与生物物理进展》 SCIE CAS CSCD 北大核心 2010年第4期402-415,共14页
由高通量微阵列技术产生的数据集可以用于解释生物系统基因调控的未知机制.生物过程是动态的,所以很有必要关注某些条件下特异的基因调控子网络.细胞周期是一个基本的细胞过程,识别酵母的细胞周期特异调控子网是理解细胞周期过程的基础... 由高通量微阵列技术产生的数据集可以用于解释生物系统基因调控的未知机制.生物过程是动态的,所以很有必要关注某些条件下特异的基因调控子网络.细胞周期是一个基本的细胞过程,识别酵母的细胞周期特异调控子网是理解细胞周期过程的基础,并且有助于揭示其他细胞条件的基因调控机理.使用一个基因表达微分方程模型(GEDEM),从静态网络中识别了动态的细胞周期相关调控关系.与已经报道的细胞周期相关调控相互作用相比,该方法识别了更多的真实存在的条件特异调控关系,取得了比当前的方法更好的性能.在大数据集上,GEDEM 识别了具有高敏感性和特异性的调控子网.组合调控的深入分析显示,条件特异调控子网的转录因子之间的相关性呈现出比静态网络中转录因子相关性更强,这说明条件特异网络比静态网络更加接近真实情况.另外,GEDEM 方法还识别更多潜在的共调控转录因子. 展开更多
关键词 基因调控网络 细胞周期 基因表达模型 条件特异子网 微分方程模型
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DNA损伤下的P53基因调控网络建模与仿真 被引量:1
11
作者 齐金鹏 邵世煌 +1 位作者 谢锦丽 朱莹 《系统仿真学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2007年第14期3321-3323,3357,共4页
作为关键调控因子之一,P53在响应DNA损伤期间通过启动下游基因及其调控通路实现细胞周期捕获,促进病变细胞凋亡等系统功能。P53基因调控网络对于肿瘤形成与治疗研究都起到了积极的促进作用。旨在通过数学模型对单细胞内部响应外界干扰... 作为关键调控因子之一,P53在响应DNA损伤期间通过启动下游基因及其调控通路实现细胞周期捕获,促进病变细胞凋亡等系统功能。P53基因调控网络对于肿瘤形成与治疗研究都起到了积极的促进作用。旨在通过数学模型对单细胞内部响应外界干扰而产生的复杂调控机制进行研究,建立了DNA损伤下的P53基因调控网络动力学模型,利用微分方程方法分别实现了各子模块响应离子辐射的详细过程;通过Matlab7.0仿真平台实现了DNA损伤修复,ATM(ataxia telangiectasia mutated)激活以及P53-MDM2等模块间的动态调控过程;通过仿真结果简要分析了ATM激活时间阈值以及P53与MDM2(Mouse double minute two)基因响应离子辐射而产生的周期震荡等特性。 展开更多
关键词 P53 ATM MDM2 DNA损伤 离子辐射 基因调控网络 微分方程
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基于奇异值求通解方法进行基因调控网络构建 被引量:1
12
作者 沈威 郑明 +4 位作者 刘桂霞 邢翀 吴佳楠 周春光 周柚 《中南大学学报(自然科学版)》 EI CAS CSCD 北大核心 2012年第4期1377-1381,共5页
在改进分解权值矩阵的微分方程模型基础上,引入奇异值分解方法来辅助运算。该算法不是通过奇异值分解的特解得到网络的最终结果,而是通过所算得的通解提供候选解集的方法,为微分方程模型算法缩短运算时间和提高结果精度。将本文算法与... 在改进分解权值矩阵的微分方程模型基础上,引入奇异值分解方法来辅助运算。该算法不是通过奇异值分解的特解得到网络的最终结果,而是通过所算得的通解提供候选解集的方法,为微分方程模型算法缩短运算时间和提高结果精度。将本文算法与其他传统微分方程模型算法进行对比,验证结果表明:该算法的效率较高。 展开更多
关键词 奇异值分解 微分方程模型 基因调控网络 候选解集 通解 无标度网络 数学建模
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一种基于分数阶微分方程模型的基因调控网络构建方法 被引量:1
13
作者 季瑞瑞 刘丁 《西安理工大学学报》 CAS 北大核心 2011年第2期127-132,共6页
考虑到实际生物系统的非线性特性,提出了一种基于分数阶微分方程模型构建基因调控网络的新方法,采用模型预测数据与实际数据的逼近误差为目标函数,通过人工鱼群优化算法辨识分数阶微分方程模型的阶次和参数,并引入自适应步长,保留精英... 考虑到实际生物系统的非线性特性,提出了一种基于分数阶微分方程模型构建基因调控网络的新方法,采用模型预测数据与实际数据的逼近误差为目标函数,通过人工鱼群优化算法辨识分数阶微分方程模型的阶次和参数,并引入自适应步长,保留精英个体和增加种群多样性等策略提高算法的进化能力。对真实生物实验数据的结果表明,该方法能够较准确的辨识出模型参数,得到的分数阶微分方程模型与实际数据吻合程度较高。 展开更多
关键词 基因调控网络 分数阶微分方程 人工鱼群算法 参数辨识
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利用Lotka-Volterra方程建立大脑发育中基因的调控网络
14
作者 郭波涛 李辉智 +1 位作者 王文昌 易东 《中国卫生统计》 CSCD 北大核心 2007年第2期138-139,142,共3页
目的构建脑发育过程中,基因表达的调控网络。方法根据GO数据库选择与发育有关的基因,应用种群动力学的观念,将Lotka-Volterra方程用于基因之间的调控关系的描述。结果得到每个基因表达的内禀增长率和所选基因之间的调控矩阵,并用图像可... 目的构建脑发育过程中,基因表达的调控网络。方法根据GO数据库选择与发育有关的基因,应用种群动力学的观念,将Lotka-Volterra方程用于基因之间的调控关系的描述。结果得到每个基因表达的内禀增长率和所选基因之间的调控矩阵,并用图像可视化。结论Lotka-Volterra方程可作为描述调控网络的一种方法。 展开更多
关键词 基因调控网络 Lotka-Volterra方程 基因芯片
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面向调控网络参数学习的无迹粒子滤波算法
15
作者 强波 王正志 倪青山 《计算机工程与应用》 CSCD 北大核心 2011年第9期146-148,166,共4页
目前基于微分方程模型学习网络参数的工作普遍基于卡尔曼滤波器,对所分析系统有线性假设前提,而基因调控网络具有强非线性,因此需要更适用于非线性模型的方法。提出了一种基于无迹粒子滤波器学习基因调控网络参数的方法,由于粒子滤波方... 目前基于微分方程模型学习网络参数的工作普遍基于卡尔曼滤波器,对所分析系统有线性假设前提,而基因调控网络具有强非线性,因此需要更适用于非线性模型的方法。提出了一种基于无迹粒子滤波器学习基因调控网络参数的方法,由于粒子滤波方法不受模型线性假设的约束,因此能够对非线性系统进行更好的拟合。通过对Repressillar模型中隐变量与未知参数的估计并与无迹卡尔曼滤波器所获结果的比较,提出的算法有效减少了估计误差。并对粒子数目对结果的影响进行了分析。相较于卡尔曼滤波器,无迹粒子滤波方法对于调控网络参数学习精度更高。粒子数目太少或太多都会减弱估计精度,因此选择适当的粒子数目非常重要。 展开更多
关键词 基因调控网络 参数学习 常微分方程 非线性 无迹粒子滤波
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基于Lotka-Volterra方程的基因调控网络的稳定性分析
16
作者 罗琦 袁焱 《南京信息工程大学学报(自然科学版)》 CAS 2010年第2期180-184,共5页
基于Lotka-Volterra微分方程模型的基因调控网络的稳定性问题,根据Lya-punov稳定性理论,结合生物数学的相关处理方法,得到了该基因调控网络平衡位置的全局渐近稳定以及部分变元全局渐近稳定、部分变元稳定的充分条件,最后通过仿真实验... 基于Lotka-Volterra微分方程模型的基因调控网络的稳定性问题,根据Lya-punov稳定性理论,结合生物数学的相关处理方法,得到了该基因调控网络平衡位置的全局渐近稳定以及部分变元全局渐近稳定、部分变元稳定的充分条件,最后通过仿真实验证明了稳定性条件的有效性. 展开更多
关键词 Lotka-Volterra方程 基因调控网络 LYAPUNOV函数 稳定性
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改进的非齐性空间反应扩散主方程的随机模拟 被引量:1
17
作者 刘祥 周文 +1 位作者 闫正楼 王翼飞 《应用科学学报》 CAS CSCD 北大核心 2007年第6期651-656,共6页
提出一种改进的下一子空间算法,与原先的下一子空间算法相比,可以模拟更为复杂空间结构中的生化反应,并在某些情况下还可以降低计算量.该文以一个生化反应系统为例,分别利用原先的下一子空间算法和该文的改进算法进行了模拟.结果表明,... 提出一种改进的下一子空间算法,与原先的下一子空间算法相比,可以模拟更为复杂空间结构中的生化反应,并在某些情况下还可以降低计算量.该文以一个生化反应系统为例,分别利用原先的下一子空间算法和该文的改进算法进行了模拟.结果表明,在某些条件下该文提出的改进算法可以明显地减少模拟所需的计算量. 展开更多
关键词 基因调控网络 反应扩散方程 Gillespie算法 下一子空间方法
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基因调控网络中的延滞动力学
18
作者 张家军 蔡传政 王翼飞 《应用科学学报》 CAS CSCD 北大核心 2007年第1期85-90,共6页
由于基因调控网络中生物化学反应的时间多尺度性,如DNA与蛋白质结合以及蛋白质聚合等快速反应、转录翻译和降解等慢速反应,延滞现象在基因调控网络中普遍存在.文中提出一种延滞基因调控网络的随机模型,并且从矩方程和改进的Gillespie算... 由于基因调控网络中生物化学反应的时间多尺度性,如DNA与蛋白质结合以及蛋白质聚合等快速反应、转录翻译和降解等慢速反应,延滞现象在基因调控网络中普遍存在.文中提出一种延滞基因调控网络的随机模型,并且从矩方程和改进的Gillespie算法对模型进行探讨.还分别考虑了单基因延滞自调控网络和双基因延滞调控网络的例子,计算机模拟计算结果表明,基因调控网络中的延滞可以诱发调控产物浓度的随机振荡,这与实验结果相当吻合. 展开更多
关键词 基因调控网络 主方程 延滞 Gillespie算法
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Data mining and mathematical models in cancer prognosis and prediction
19
作者 Chong Yu Jin Wang 《Medical Review》 2022年第3期285-307,共23页
Cancer is a fetal and complex disease.Individual differences of the same cancer type or the same patient at different stages of cancer development may require distinct treatments.Pathological differences are reflected... Cancer is a fetal and complex disease.Individual differences of the same cancer type or the same patient at different stages of cancer development may require distinct treatments.Pathological differences are reflected in tissues,cells and gene levels etc.The interactions between the cancer cells and nearby microenvironments can also influence the cancer progression and metastasis.It is a huge challenge to understand all of these mechanistically and quantitatively.Researchers applied pattern recognition algorithms such as machine learning or data mining to predict cancer types or classifications.With the rapidly growing and available computing powers,researchers begin to integrate huge data sets,multi-dimensional data types and information.The cells are controlled by the gene expressions determined by the promoter sequences and transcription regulators.For example,the changes in the gene expression through these underlying mechanisms can modify cell progressing in the cell-cycle.Such molecular activities can be governed by the gene regulations through the underlying gene regulatory networks,which are essential for cancer study when the information and gene regulations are clear and available.In this review,we briefly introduce several machine learning methods of cancer prediction and classification which include Artificial Neural Networks(ANNs),Decision Trees(DTs),Support Vector Machine(SVM)and naive Bayes.Then we describe a few typical models for building up gene regulatory networks such as Correlation,Regression and Bayes methods based on available data.These methods can help on cancer diagnosis such as susceptibility,recurrence,survival etc.At last,we summarize and compare the modeling methods to analyze the development and progression of cancer through gene regulatory networks.These models can provide possible physical strategies to analyze cancer progression in a systematic and quantitative way. 展开更多
关键词 FLUX gene regulatory network LANDSCAPE machine learning ordinary differential equations stochastic differential equations
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