[發明專利]新型生物網絡模型的構建方法

無效

• 申請號: 201110278289.X
• 申請日: 2011-09-20
• 公開（公告）號: CN102306251A
• 公開（公告）日: 2012-01-04
• 發明（設計）人: 謝雪英;李鑫
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G06F19/12
• 分類號: G06F19/12
• 代理公司: 蘇州創元專利商標事務所有限公司 32103
• 代理人: 范晴

技術領域

本發明屬于系統生物學領域，尤其是涉及一種復雜生物網絡的建模方法。

背景技術

根據Newman的觀點，現實世界中的復雜網絡主要包括社會網絡、信息網絡、技術網絡和生物網絡四大類。生物體作為一種典型的復雜系統，其中很多子系統可以表示成復雜網絡。特別是，當人類基因組完成后隨著后基因組學時代的到來，生物學研究的熱點由對細胞內個別基因或蛋白質功能的局部性研究，轉移到以細胞內全部的基因、mRNA、蛋白質及代謝產物相互作用的研究。生物網絡(基因調控網絡、新陳代謝網絡、蛋白質互作網絡等)的預測和重建就成為后基因組學研究中的一個嶄新的、極其重要的研究領域，其研究方法主要是利用大量的生物實驗數據，運用數據挖掘技術來反向分析和挖掘特定生物元件之間的關聯信息，并試圖以復雜網絡系統的觀點來揭示其復雜的作用機理、功能信息及演化機制。目前已有的大量實證分析表明，生物網絡與其他真實網絡一樣具有小世界和無標度特性。

然而，生物網絡的演化機制尚處于探索研究階段，許多已有模型不能很好地反映出生物網絡的內在機制。Watts和Strogatz在規則網和隨機網的基礎上提出的小世界網絡模型，雖然具有較大平均聚集系數和較小最短路徑的特點，但網絡的節點度分布卻沒有呈現冪率性質。Barabási和Albert提出的基于增長性和擇優連接性的BA網絡模型，雖然具有冪率性質，但BA網絡模型的節點匹配系數卻等于0，這與真實生物網絡性質不一致。目前也有研究者提出了一些基于生物方面考慮的蛋白質作用網絡和基因調控網絡模型，其中大部分模型都只考慮了復制和變異這兩個基本生物過程。

近年來，另一類生物復雜系統越來越受到研究者們的重視，這類復雜系統的組成單體是蛋白質結構域。蛋白質是生命體生理功能的執行者及生命現象的體現者，結構域是蛋白質行使功能的基本單位，結構域重組與序列復制和變異一起是驅動生物進化的基本機制。而這些基本機制的實現并未被現有技術中提供的現有網絡模型所囊括，本發明因此而來。

發明內容

本發明目的在于提供一種模擬生物演化特性的生物網絡模型的構建方法，解決了現有技術中生物網絡模型難以反映生物網絡中蛋白質結構域重組網絡的特性等問題。

為了解決現有技術中的這些問題，本發明提供的技術方案是：

一種模擬生物演化特性的生物網絡模型的構建方法，其特征在于所述方法包括以下步驟：

(1)生物網絡的初始化：預設含有m₀個初始節點的初始網絡G₀，所述初始網絡G₀內節點間相互連通；其中m₀為整數，且2≤m₀＜10；

(2)在預設的單位時間內增加新的網絡節點v；新加入的節點v以隨機概率r選擇執行選自結構域重組模塊、復制變異模塊或增長模塊中的一種，其中r滿足以下條件：0≤r≤1，且節點選擇三種模型的各個概率之和為1；

(3)循環重復進行步驟(2)，直至網絡的規模達到預期的規模。

優選的，所述方法中如果選擇執行結構域重組模塊的概率為R，選擇執行復制變異模塊的概率為D，則選擇執行增長模塊的概率為1-R-D；則當0≤r≤R時選擇執行結構域重組模塊，當R＜r＜(R+D)時選擇執行復制變異模塊，當(R+D)≤r≤1時選擇執行增長模塊。

優選的，所述方法中執行結構域重組模塊包括以下步驟：

A1)在已構建的生物網絡中尋找結構域節點；

A2)根據反偏向優先性原則使兩結構域節點間產生一條連接兩節點的新的邊以表示結構域節點發生協作關系。

優選的，所述方法中所述結構域節點為已構建的生物網絡中度數低的節點。

優選的，所述方法中根據反偏向優先性原則連接是選擇節點度數最小的沒有直接連接的兩個結構域節點，生成一條新的邊，以表示已有結構域節點間發生協作關系。

優選的，所述方法中執行復制變異模塊包括以下步驟：

B1)在已構建的生物網絡中根據偏向優先性原則選出一個節點作為可復制節點，按照可復制節點的屬性復制產生新節點；

B2)對復制產生的新節點的每一條邊進行概率為d₁的判斷；當產生邊的生存概率小于d₁時，新節點的該邊刪除；否則保留該節點此邊。

優選的，所述方法中步驟B1)可復制節點的選擇為根據節點度的大小優先選擇偏向度數高的節點作為選擇的可復制節點。

優選的，所述方法中執行增長模塊的步驟包括以下步驟：