Можно визуализировать модель системной биологии с различными уровнями детализации. Один вид рисует только основные виды и процессы. Эта модель является примером простой регуляции генов, где белковый продукт из трансляции контролирует транскрипцию. Можно создать более сложную модель, добавив ферменты, коферменты, кофакторы, нуклеотиды и аминокислоты, которые не включены в эту модель. Пример регуляции гена упрощает механизм регуляции, не показывая вклад РНК-полимеразы и каких-либо кофакторов. Белковый продукт из экспрессии генов связывается с регуляторной областью на ДНК и подавляет транскрипцию.
Другой способ взглянуть на модель системной биологии - перечислить реакции в модели с процессами, которые они представляют.
DNA -> DNA + mRNA (transcription) mRNA -> mRNA + protein (translation) DNA + protein -> DNAProteinComplex (binding) DNAProteinComplex -> DNA + protein (unbinding) mRNA -> null (degradation) protein -> null (degradation)
Рисование путей реакции поможет вам визуализировать взаимосвязи между реакциями и видами. В примере регуляции гена по мере увеличения количества белка белок образует комплекс с геном, ответственным за его экспрессию, и замедляет выработку белка.
Уравнения реакции определяют модель системной биологии на уровне детализации, необходимом для программной программы для моделирования динамического поведения модели. Следующие реакции на транскрипцию, трансляцию, связывание и деградацию описывают простой механизм регуляции генов.
Транскрипция. Транскрипция - это то, где РНК-полимераза и кофакторы связываются с молекулой ДНК. Затем РНК-полимераза перемещается вдоль ДНК и объединяет нуклеотиды для создания мРНК. Простая модель транскрипции показывает только ДНК и мРНК.
Эта модель упрощает транскрипцию и синтез мРНК, используя одну реакцию.
| Реакция | DNA -> DNA + mRNA |
| Скорость реакции | v = k1 * DNA молекула/секунда |
| Разновидности | DNA = 50 молекула |
mRNA = 0 молекула | |
| Параметры | k1 = 0.20 второй-1 |
Перевод. После перехода мРНК из ядра в цитоплазму она может связываться с рибосомами. Рибосомы движутся вдоль мРНК и создают белки с помощью тРНК, связанных с аминокислотами. Простая модель трансляции показывает только мРНК и белковый продукт.
Синтез белка моделируется как единичная реакция.
| Реакция | mRNA -> mRNA + protein |
| Скорость реакции | v = k2 * mRNA молекула/секунда |
| Разновидности | mRNA = 0 молекула |
protein = 0 молекула | |
| Параметры | k2 = 20 второй-1 |
Репрессии генов. Транскрипция ДНК на мРНК регулируется связыванием белкового продукта от трансляции к ДНК. Поскольку продуцируется больше белка, ДНК связывается с белком чаще и для транскрипции с несвязанной ДНК доступно меньше времени.
Прямая реакция (связывание)
| Реакция | DNA + protein -> DNAProteinComplex |
| Скорость реакции | v = k3 * DNA * protein молекула/секунда |
| Разновидности | DNA = 50 молекула |
protein = 0 молекула | |
| Параметры | k3 = 0.2 1/( молекула * секунда) |
Обратная реакция (развязка)
| Реакция | DNAProteinComplex -> DNA + protein |
| Скорость реакции | v = k3r * DNA_protein молекула/секунда |
| Разновидности | DNAProteinComplex = 0 молекула |
| Параметры | k3r = 1 второй-1 |
Для этого учебного пособия смоделируйте реакции связывания и отмены привязки как одну обратимую реакцию.
| Реакция | DNA + protein <-> DNA_protein |
| Скорость реакции | v = k3 * DNA * protein - k3r * DNA_protein молекула/секунда |
| Разновидности | DNA = 50 молекула |
protein = 0 молекула | |
| Параметры | k3 = 0.2 1/( вторая * молекула) |
k3r = 1 второй-1 |
Деградация. Деградация белка и мРНК являются важными реакциями для регуляции экспрессии генов. Стационарный уровень этих соединений поддерживается балансом между реакциями синтеза и разложения. Белки гидролизуются до аминокислот с помощью протеаз, а нуклеиновые кислоты разлагаются до нуклеотидов.
Деградация мРНК моделируется как трансформация в null виды.
| Реакция | mRNA -> null |
| Скорость реакции | v = k4 * mRNA молекула/секунда |
| Разновидности | mRNA = 0 молекула |
| Параметры | k4 = 1.5 второй-1 |
Аналогично, деградация белка также моделируется как трансформация в null виды. Разновидности null - предопределенное видовое название в моделях SimBiology ®.
| Реакция | protein -> null |
| Скорость реакции | v = k5 * protein молекула/секунда |
| Разновидности | protein = 0 молекула |
| Параметры | k5 = 1 второй-1 |
Модель SimBiology - это совокупность объектов, иерархически структурированных. Объект модели должен содержать все остальные объекты.
Создание модели SimBiology с именем cell.
Mobj = sbiomodel('cell')Mobj =
SimBiology Model - cell
Model Components:
Compartments: 0
Events: 0
Parameters: 0
Reactions: 0
Rules: 0
Species: 0
Observables: 0
Добавить отсек с именем comp на модель и установить единицу вместимости отсека.
compObj = addcompartment(Mobj,'comp'); compObj.CapacityUnits = 'liter';
Добавление реакции DNA -> DNA + mRNA к модели. SimBiology автоматически добавляет вид DNA и mRNA в модель с начальным значением по умолчанию 0.
Robj1 = addreaction(Mobj,'DNA -> DNA + mRNA');Примечание
Поскольку в этом примере имеется только один отсек, нет необходимости указывать отсек, к которому принадлежит каждый вид. Если существует несколько отсеков, ниже приведен пример синтаксиса реакции:
Robj1 = addreaction(Mobj, 'nucleus.DNA -> nucleus.DNA + cytoplasm.mRNA');
nucleus и cytoplasm - названия отсеков.Отображение добавленных видов модели.
Mobj.Species
ans = SimBiology Species Array Index: Compartment: Name: Value: Units: 1 comp DNA 0 2 comp mRNA 0
Установка начальной суммы DNA кому 50 а также количество единиц для обоих видов.
Mobj.Species(1).InitialAmount = 50; Mobj.Species(1).InitialAmountUnits = 'molecule'; Mobj.Species(2).InitialAmountUnits = 'molecule';
Укажите кинетику реакции как массового действия, создав объект кинетического закона массового действия. Kobj1.
Kobj1 = addkineticlaw(Robj1,'MassAction');Для нереверсивной реакции: MassAction кинетика определяет выражение скорости реакции как константу прямой скорости * реагентов.
Кинетический закон служит картой между параметрами и видами, необходимыми для экспрессии скорости реакции и параметрами и видами в модели. Для просмотра параметров и видов, которые должны быть отображены, извлеките ParameterVariables и SpeciesVariables свойства Kobj1.
Kobj1.ParameterVariables
ans = 1x1 cell array
{'Forward Rate Parameter'}
Kobj1.SpeciesVariables
ans = 1x1 cell array
{'MassAction Species'}
Поскольку кинетический закон требует прямого параметра скорости, создайте параметр, k1и установите его значение в 0.2. Сопоставить параметр k1 к параметру forward rate, путем установки ParameterVariablesNames имущество Kobj1 кому k1.
Pobj1 = addparameter(Kobj1,'k1'); Pobj1.Value = 0.2; Pobj1.ValueUnits = '1/second'; Kobj1.ParameterVariableNames = 'k1';
Для кинетики массового действия SpeciesVariables автоматически назначаются видам реагентов. Следовательно, SpeciesVariablesNames имущество Kobj1 автоматически устанавливается в значение DNA. Выражение скорости реакции теперь определяется следующим образом.
Robj1.ReactionRate
ans = 'k1*DNA'
Простая модель трансляции показывает только мРНК и белковый продукт. Дополнительные сведения см. в разделе Перевод.
Введите реакцию mRNA -> mRNA + protein и установить его кинетический закон на массовое действие. Также установите единицу измерения количества вида protein.
Robj2 = addreaction(Mobj,'mRNA -> mRNA + protein'); Mobj.Species(3).InitialAmountUnits = 'molecule'; Kobj2 = addkineticlaw(Robj2,'MassAction');
Определение константы скорости реакции k2 для реакции.
Pobj2 = addparameter(Kobj2,'k2'); Pobj2.Value = 20; Pobj2.ValueUnits = '1/second'; Kobj2.ParameterVariableNames = 'k2';
Скорость реакции теперь определяется следующим образом.
Robj2.ReactionRate
ans = 'k2*mRNA'
Транскрипция ДНК на мРНК регулируется связыванием белкового продукта от трансляции к ДНК. Поскольку продуцируется больше белка, ДНК связывается с белком чаще и для транскрипции с несвязанной ДНК доступно меньше времени. Дополнительные сведения см. в разделе Репрессии генов.
Ввести обратимую реакцию для связывания и несвязывания ДНК и белка. Добавление параметра k3 в качестве постоянной форвардной скорости, и k3r как константа обратной скорости.
Robj3 = addreaction(Mobj,'DNA + protein <-> DNAProteinComplex'); Mobj.Species(4).InitialAmountUnits = 'molecule'; Kobj3 = addkineticlaw(Robj3,'MassAction'); Pobj3 = addparameter(Kobj3,'k3','Value',0.2,'ValueUnits','1/(molecule*second)'); Pobj3r = addparameter(Kobj3,'k3r','Value',1.0,'ValueUnits','1/second'); Kobj3.ParameterVariableNames = {'k3','k3r'};
Отображение скорости реакции.
Robj3.ReactionRate
ans = 'k3*DNA*protein - k3r*DNAProteinComplex'
Деградация белка и мРНК являются важными реакциями для регуляции экспрессии генов. Стационарный уровень соединений поддерживается балансом между реакциями синтеза и разложения. Белки гидролизуются до аминокислот с помощью протеаз, в то время как нуклеиновые кислоты разлагаются до нуклеотидов.
Ввести реакцию деградации мРНК до нуклеотидов. Добавление параметра k4 в качестве постоянной прямой скорости.
Robj4 = addreaction(Mobj,'mRNA -> null'); Kobj4 = addkineticlaw(Robj4, 'MassAction'); Pobj4 = addparameter(Kobj4,'k4','Value',1.5,'ValueUnits','1/second'); Kobj4.ParameterVariableNames = 'k4';
Отображение скорости реакции деградации мРНК.
Robj4.ReactionRate
ans = 'k4*mRNA'
Ввести реакцию деградации белка до аминокислот. Добавление параметра k5 в качестве постоянной прямой скорости для реакции.
Robj5 = addreaction(Mobj,'protein -> null'); Kobj5 = addkineticlaw(Robj5,'MassAction'); Pobj5 = addparameter(Kobj5,'k5','Value',1.0,'ValueUnits','1/second'); Kobj5.ParameterVariableNames = 'k5';
Отображение скорости реакции деградации белка.
Robj5.ReactionRate
ans = 'k5*protein'
Моделирование модели для просмотра ее динамического поведения.
Сначала включите дополнительную функцию преобразования единиц измерения. Эта функция автоматически преобразует единицы измерения физических величин в одну согласованную систему. Это преобразование готовится к правильному моделированию, но количества видов возвращаются в указанной единице измерения (molecule в этом примере).
configset = getconfigset(Mobj); configset.CompileOptions.UnitConversion = true;
Запустите моделирование.
[t, simdata, names] = sbiosimulate(Mobj);
Постройте график результатов.
plot(t,simdata) legend(names,'Location','NorthEastOutside') title('Gene Regulation'); xlabel('Time'); ylabel('Species Amount');
