面向腫瘤治療的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)和其動力學(xué)模型培訓(xùn)課件

面向腫瘤治療的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)和其動力學(xué)模型內(nèi)容提要

Part1：研究背景、現(xiàn)狀與意義Part2：DNA損傷下的P53基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)Part3：基于離子輻射的P53損傷響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)Part4：細(xì)胞響應(yīng)DNA損傷動力學(xué)分析與預(yù)測Part5：基于腫瘤放療的P53損傷響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)模型Part6：細(xì)胞響應(yīng)放療過程的動力學(xué)分析與預(yù)測Part7：創(chuàng)新與進(jìn)一步工作

3/18/20242面向腫瘤治療的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)和其動力學(xué)模型Part1：研究背景、現(xiàn)狀與意義生命體是一個復(fù)雜系統(tǒng)。基因組通過形成“基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)”這樣一個復(fù)雜的系統(tǒng)來推動生命演化過程。系統(tǒng)控制論等信息科學(xué)將生命體看作新的復(fù)雜系統(tǒng)與智能系統(tǒng)，以期從系統(tǒng)層次理解生物系統(tǒng)。作為系統(tǒng)生物學(xué)的主要研究對象，基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)有助于從基因?qū)哟螌ι^程進(jìn)行詳細(xì)解釋，系統(tǒng)地理解生命活動。

1.1研究背景3/18/20243面向腫瘤治療的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)和其動力學(xué)模型Part1：研究背景、現(xiàn)狀與意義3/18/20244面向腫瘤治療的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)和其動力學(xué)模型Part1：研究背景、現(xiàn)狀與意義1953年，Watson和Crick發(fā)現(xiàn)了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)，以此開創(chuàng)了分子生物學(xué)的新時代?；蛘{(diào)控網(wǎng)絡(luò)研究始于20世紀(jì)90年代，主要以模式生物為研究對象。比如，大腸桿菌(E.coli)基因回路等。我國學(xué)者也開始展開研究，比如王志偉等基于Iyla提出了概率布爾型網(wǎng)絡(luò)（PBN）模型。

1.2研究現(xiàn)狀-基因調(diào)控模型3/18/20245面向腫瘤治療的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)和其動力學(xué)模型Part1：研究背景、現(xiàn)狀與意義目前，多數(shù)腫瘤模型集中于細(xì)胞層次，比如，DavidDingli等人在細(xì)胞層次上建立了腫瘤治療的數(shù)學(xué)模型。Bar-Or等人首次提出了分子水平上的P53-MDM2反饋調(diào)控網(wǎng)絡(luò)模型。LanMa等也提出了單細(xì)胞的P53網(wǎng)絡(luò)模型。中國農(nóng)大利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法建立了診斷癌癥的網(wǎng)絡(luò)模型。

1.2研究現(xiàn)狀-腫瘤模型但通過基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)建立腫瘤治療模型的研究在國內(nèi)未見報道。3/18/20246面向腫瘤治療的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)和其動力學(xué)模型Part1：研究背景、現(xiàn)狀與意義作為復(fù)雜的生物系統(tǒng)之一，腫瘤可看作與其密切相關(guān)的P53與MDM2等基因及其信號通路所組成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。本課題以P53等基因及其調(diào)控通路為主線，對腫瘤相關(guān)的基因組調(diào)控關(guān)系，以及腫瘤治療過程進(jìn)行解析。旨在通過數(shù)學(xué)模型為腫瘤治療相關(guān)的建模與仿真研究提供提供一個有力的理論框架與系統(tǒng)仿真平臺。

1.3研究意義Begin23/18/20247面向腫瘤治療的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)和其動力學(xué)模型Part2：DNA損傷下的P53基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)

3/18/20248面向腫瘤治療的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)和其動力學(xué)模型Part2：DNA損傷下的P53基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)

作為重要的抗癌基因，P53主要通過其表達(dá)水平的變化來行使轉(zhuǎn)錄網(wǎng)絡(luò)中的樞紐作用。

2.1P53基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)當(dāng)細(xì)胞受到外部強(qiáng)干擾時，細(xì)胞會啟動P53基因調(diào)控通路，抑制致癌基因過度表達(dá)，降解病變細(xì)胞等功能。P53介導(dǎo)的細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路十分復(fù)雜。因此，Vogelstein和Levine等學(xué)者提出了P53基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的概念。3/18/20249面向腫瘤治療的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)和其動力學(xué)模型Part2：DNA損傷下的P53基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)

Bar-Or等首次提出了P53-MDM2反饋調(diào)控網(wǎng)絡(luò)模型。MDM2外界侵?jǐn)_P53I圖2-1P53-MDM2反饋調(diào)控網(wǎng)絡(luò)模型

2.2P53-MDM2反饋調(diào)控網(wǎng)絡(luò)（1）該模型引入了關(guān)鍵元素P53、MDM2和I，其中I為產(chǎn)生P53和MDM2調(diào)控時延而引入的中間介質(zhì)。（2）P53通過I間接促進(jìn)MDM2表達(dá)。MDM2同時抑制P53基因的表達(dá)，以及P53向I狀態(tài)的轉(zhuǎn)化，從而構(gòu)成了P53-MDM2反饋調(diào)控環(huán)。（3）外界的強(qiáng)干擾信號正向調(diào)控P53向I的狀態(tài)轉(zhuǎn)化，同時抑制MDM2基因的表達(dá)，從而進(jìn)一步促進(jìn)P53基因的表達(dá)水平。雖然Bar提出的模型能在P53與MDM2間產(chǎn)生預(yù)期的阻尼振蕩。但研究表明，震蕩歸因于蛋白質(zhì)間交互作用，從而推斷網(wǎng)絡(luò)包含更多基因及其多級調(diào)控通路。3/18/202410面向腫瘤治療的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)和其動力學(xué)模型Part2：DNA損傷下的P53基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)

2.3DNA損傷下的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)模型（1）在強(qiáng)干擾作用下，DNA損傷將促使ATM不斷被激活，并產(chǎn)生對P53、E2F1的正向調(diào)控以及對MDM2的負(fù)向調(diào)控作用。以Bar-Or等前人工作為基礎(chǔ)，我們提出DNA損傷下的P53基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)模型。DNA損傷MDM2ARF活躍態(tài)P53P53P活躍態(tài)ATM非活躍態(tài)E2F21E2F1正向作用功能轉(zhuǎn)化生成作用降解作用ATMD圖2-2基于DNA損傷的P53基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)模型（2）活躍態(tài)P53正向調(diào)控MDM2，并與MDM2形成一個反饋調(diào)控循環(huán)，負(fù)責(zé)啟動下游基因及其調(diào)控通路，產(chǎn)生系統(tǒng)響應(yīng)功能。3/18/202411面向腫瘤治療的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)和其動力學(xué)模型Part2：DNA損傷下的P53基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)

為確保模型的有效性，我們采用了以下參數(shù)選取規(guī)則：

2.4模型實現(xiàn)目前，許多方法用于建立基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)模型，比如有向圖、布爾網(wǎng)絡(luò)、Bayesian網(wǎng)絡(luò)、微分方程等。微分方程模型不但能夠定量地描述基因間復(fù)雜的調(diào)控動力學(xué)過程，而且能方便地將外界干擾因素對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響引入網(wǎng)絡(luò)。

（1）在響應(yīng)DNA損傷過程中，MDM2與P53之間必須出現(xiàn)周期性阻尼振蕩；（2）P53依賴于MDM2的降解機(jī)制僅適用于P53濃度較低的情況；（3）平衡狀態(tài)下的P53*濃度要高于非活躍態(tài)P53濃度。3/18/202412面向腫瘤治療的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)和其動力學(xué)模型Part2：DNA損傷下的P53基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)

2.5部分動力學(xué)仿真-1基于MATMLAB7.0仿真平臺，我們實現(xiàn)了P53基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)DNA損傷的整個動力學(xué)過程。（1）細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生的DNA損傷總量隨著干擾作用時間而直線上升。0100200300400500600700800050100150細(xì)胞內(nèi)部產(chǎn)生的DNA損傷隨著干擾時間不斷堆積的仿真過程(a)

干擾時間（Min）

損傷量02040608010012000.20.40.60.81ATM激活并進(jìn)一步調(diào)控P53與MDM2的動力學(xué)過程

(b)

干擾時間（Min）

ATM*P53*MDM2約25分鐘的持續(xù)干擾后，活躍態(tài)ATM基本處于飽和狀態(tài)濃度（2）約25分鐘后，ATM*達(dá)到飽和，并保持“開啟”狀態(tài)。P53*與MDM2的濃度也逐步升高。3/18/202413面向腫瘤治療的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)和其動力學(xué)模型Part2：DNA損傷下的P53基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)

2.5部分動力學(xué)仿真-2(3)約25分鐘持續(xù)干擾后，E2F1和ARF濃度基本達(dá)到飽和，并處于穩(wěn)定狀態(tài)。(4)P53*與MDM2產(chǎn)生周期性阻尼震蕩，隨著干擾時間持續(xù)，震蕩幅度減小，趨于新的平衡狀態(tài)。010203040506070809010000.20.40.60.811.21.4ARFE2F1

活躍態(tài)ARF與E2F1幾乎與ATM*同時達(dá)到飽和狀態(tài)ARF與E2F1激活的動力學(xué)過程濃度(c)

干擾時間（Min）02004006008001000120000.20.40.60.81在ATM*持續(xù)作用下P53與MDM2反饋調(diào)控的動力學(xué)過程(d)干擾時間（Min）ATM*P53*MDM2濃度Begin33/18/202414面向腫瘤治療的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)和其動力學(xué)模型Part3：基于離子輻射的P53損傷響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)

3/18/202415面向腫瘤治療的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)和其動力學(xué)模型Part3：基于離子輻射的P53損傷響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)

3.1模型架構(gòu)（1）負(fù)責(zé)模擬細(xì)胞受到外界持續(xù)離子輻射時隨機(jī)產(chǎn)生DNA雙鏈斷裂等基因組損傷及其修復(fù)過程。為進(jìn)一步建立腫瘤相關(guān)的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，我們提出持續(xù)離子輻射下的P53基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)模型，將更多關(guān)鍵因素融入模型。圖4-1持續(xù)離子輻射下的P53基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)模型DNA損傷產(chǎn)生與修復(fù)模塊ATM激活模塊離子輻射干擾信號源P53-MDM2反饋調(diào)控模塊調(diào)控信號向下游傳導(dǎo)圖3-1持續(xù)離子輻射下的P53基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)模型架構(gòu)（2）用于感知DNA損傷信號傳導(dǎo)，并使ATM的表達(dá)其處于“開啟”狀態(tài)，進(jìn)而正向調(diào)控P53等基因。（3）模型的核心部分。受到ATM的正向調(diào)控后，活躍態(tài)P53啟動DNA損傷修復(fù)及病變細(xì)胞凋亡等系統(tǒng)功能。

3/18/202416面向腫瘤治療的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)和其動力學(xué)模型Part3：基于離子輻射的P53損傷響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)

3.2模型實現(xiàn)-DNA損傷產(chǎn)生與修復(fù)模塊（2）D1、C1和D2、C2：DSBs與DSBCs數(shù)量；kdc、kcd：

DSBs與DSBCs轉(zhuǎn)化比率

。一般情況下，真核細(xì)胞內(nèi)包括快速和慢速兩個相對獨立的DNA損傷修復(fù)過程，每個過程都包含DSB與修復(fù)蛋白聚合與分離的雙態(tài)可逆過程。（3）DSBCs為激活A(yù)TM的關(guān)鍵調(diào)控因子。圖4-1持續(xù)離子輻射下的P53基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)模型圖3-2持續(xù)離子輻射下的DNA損傷修復(fù)模塊示意圖kdc1kdc2kcd1kcd2D2激活A(yù)TM信號源DSBCsDSBsD1C2C1（1）假定單位時間細(xì)胞內(nèi)部產(chǎn)生的DSBs服從均值為35的Poisson隨機(jī)分布：

其中[DT]表示DSBs總數(shù)，kt：單位時間內(nèi)產(chǎn)生DSBs的數(shù)量比率，aIR

：單位劑量離子輻射產(chǎn)生的DSBs數(shù)量。3/18/202417面向腫瘤治療的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)和其動力學(xué)模型Part3：基于離子輻射的P53損傷響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)

3.2模型實現(xiàn)-ATM激活模塊

（1）ATMD、ATM和ATM*分別表示ATM聚合物、ATM單體和活躍態(tài)ATM；C表示DSBCs的信號強(qiáng)度

。ATM激活為細(xì)胞感知DNA損傷的重要環(huán)節(jié)。（3）線性函數(shù)F(C，[ATM*])表示在DSBCs與ATM*聯(lián)合作用下激活A(yù)TM的比率。圖3-3ATM激活模塊示意圖kafkarATMDATMATM*kundimC(DSBCs)kdimF(C,[ATM*])（2）DSBCs信號傳導(dǎo)促進(jìn)ATM處于活躍狀態(tài)。同時，活躍態(tài)ATM通過自身反饋進(jìn)一步促進(jìn)ATM表達(dá)。3/18/202418面向腫瘤治療的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)和其動力學(xué)模型Part3：基于離子輻射的P53損傷響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)

3.2模型實現(xiàn)-P53-MDM2反饋調(diào)控模塊

（1）ATM*促進(jìn)P53向活躍態(tài)轉(zhuǎn)化，同時抑制MDM2表達(dá)，導(dǎo)致P53*迅速升高。P53與MDM2組成的反饋調(diào)控循環(huán)是整個模型的關(guān)鍵部分。（2）活躍態(tài)P53將激活下游基因及其調(diào)控通路，實現(xiàn)細(xì)胞周期捕獲、DNA損傷修復(fù)以及病變細(xì)胞凋亡等功能

。圖3-4P53-MDM2反饋調(diào)控模塊示意圖P53DP53RP53PP53P*ATM*Basalp53Basalmdm2降解MDM2DMDM2RMDM2P3/18/202419面向腫瘤治療的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)和其動力學(xué)模型Part3：基于離子輻射的P53損傷響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)

3.3部分動力學(xué)仿真（1）在10Gy作用下DSBs生成軌跡圖?？煽闯觯蚪M損傷生成具有一定的隨機(jī)性。（2）在ATM*持續(xù)作用下P53*與MDM2產(chǎn)生了周期性的阻尼震蕩，周期約400min，相差約為120min，隨著輻射時間的持續(xù)，震蕩幅度慢慢減小，并趨向于穩(wěn)定狀態(tài)

。010203040506070800.330.3350.340.3450.350.3550.360.3650.37持續(xù)10Gy離子輻射下細(xì)胞內(nèi)隨機(jī)產(chǎn)生DSBs的動力學(xué)過程(a)輻射時間（Min）損傷量50010001500(d)輻射時間（Min）

000.10.20.30.40.50.60.70.8P53*與MDM2p響應(yīng)DNA損傷而產(chǎn)生周期性阻尼振蕩的動力學(xué)過程濃度P53*MDM2pP53*與MDM2p間的相差約為2小時Begin43/18/202420面向腫瘤治療的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)和其動力學(xué)模型Part4：細(xì)胞響應(yīng)DNA損傷動力學(xué)分析與預(yù)測

3/18/202421面向腫瘤治療的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)和其動力學(xué)模型Part4：細(xì)胞響應(yīng)DNA損傷動力學(xué)分析與預(yù)測

4.1細(xì)胞響應(yīng)DNA損傷的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)模型架構(gòu)

（1）模型對DNA損傷產(chǎn)生與修復(fù)，以及P53-MDM2反饋調(diào)控模塊進(jìn)行了改進(jìn)。為進(jìn)一步展現(xiàn)細(xì)胞自身抵御機(jī)制，我們提出了單細(xì)胞響應(yīng)DNA損傷的網(wǎng)絡(luò)模型，將細(xì)胞中更多參與動擾響應(yīng)與網(wǎng)絡(luò)調(diào)控的關(guān)鍵因素融入到模型中。圖4-1持續(xù)離子輻射下的P53基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)模型DNA損傷產(chǎn)生與修復(fù)模塊ATM激活模塊離子輻射干擾信號源P53-MDM2反饋調(diào)控模塊調(diào)控信號向下游傳導(dǎo)圖4-1持續(xù)離子輻射下的P53基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)模型架構(gòu)（2）沒有對ATM模塊進(jìn)行改動。3/18/202422面向腫瘤治療的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)和其動力學(xué)模型Part4：細(xì)胞響應(yīng)DNA損傷動力學(xué)分析與預(yù)測

4.2模型實現(xiàn)-DNA損傷產(chǎn)生與修復(fù)模塊（2）假定修復(fù)蛋白(RP)以及DSBCs為動態(tài)變量，因此，DSBCs信號合成將會受到不同程度影響。改進(jìn)的DNA損傷產(chǎn)生與修復(fù)模塊考慮了修復(fù)蛋白數(shù)量對DSBs修復(fù)結(jié)果以及信號傳遞產(chǎn)生的影響，同時，在兩個修復(fù)過程增加了DNA損傷的FixedDSBs狀態(tài)

。（1）兩個相對獨立的動力學(xué)過程都包含DSBs與修復(fù)蛋白聚合與分離的雙態(tài)可逆過程。同時，DSBCs又以不同的比率向不可逆的已修復(fù)狀態(tài)（FixedDSBs）轉(zhuǎn)化。

圖4-2改進(jìn)后的DNA損傷修復(fù)模型示意圖FixedDSBskcf2kcd2D1kdc1kdc2kcd1D2C1C2DSBCsDSBsFd1Fd2kcf1激活A(yù)TM信號源3/18/202423面向腫瘤治療的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)和其動力學(xué)模型Part4：細(xì)胞響應(yīng)DNA損傷動力學(xué)分析與預(yù)測

4.2模型實現(xiàn)-

P53-MDM2反饋調(diào)控模塊

（2）同時，ATM*通過E2F1正向激活A(yù)RF，抑制MDM2的表達(dá)，進(jìn)一步促使P53*表達(dá)水平

。在改進(jìn)模型中，我們將ARF和E2F1基因加入P53-MDM2反饋調(diào)控模塊模塊。（1）ATM*正向調(diào)控P53，并促進(jìn)MDM2的降解，促進(jìn)P53*的濃度升高。

圖4-3改進(jìn)后的P53-MDM2反饋調(diào)控模塊圖P53RP53PP53P*MDM2RMDM2PATM*Basalp53Basalmdm2E2F1E2F1RARFARFR（3）高水平表達(dá)P53*進(jìn)一步調(diào)控下游基因及其信號通路，以響應(yīng)外界的強(qiáng)干擾信號

。3/18/202424面向腫瘤治療的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)和其動力學(xué)模型Part4：細(xì)胞響應(yīng)DNA損傷動力學(xué)分析與預(yù)測

4.3部分動力學(xué)仿真-1（a）當(dāng)超過10Gy時修復(fù)蛋白數(shù)量隨著輻射強(qiáng)度增加而減少，10Gy為修復(fù)蛋白數(shù)量開始下降的輻射強(qiáng)度閾值

。（b）經(jīng)過約100分鐘的12Gy離子輻射后，DSBCs信號合成速率逐步呈下降趨勢。02040608010012014016018005101520253035404550不同離子輻射強(qiáng)度下的DSBCs合成動力學(xué)過程軌跡圖(b)輻射時間(Min)濃度underIR=10GyunderIR=11GyunderIR=12Gy約100分鐘的12Gy持續(xù)離子輻射后DSBCs合成速率開始下降020406080100120140160180012345678910不同輻射強(qiáng)度下細(xì)胞周圍可用的修復(fù)蛋白數(shù)量動態(tài)變化軌跡圖(a)輻射時間(Min)濃度underIR=10GyunderIR=11GyunderIR=12Gy3/18/202425面向腫瘤治療的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)和其動力學(xué)模型Part4：細(xì)胞響應(yīng)DNA損傷動力學(xué)分析與預(yù)測

4.3部分動力學(xué)仿真-2（c）P53與MDM2分別產(chǎn)生了不同幅度的周期性阻尼振蕩，該特性也是確定模型有效性的重要因素之一。（d）Sp53異常降低，導(dǎo)致了P53過低表達(dá)，P53-MDM2沒有產(chǎn)生預(yù)期的周期性阻尼振蕩。010020030040050060070080000.10.20.30.40.50.60.70.80.91不同強(qiáng)度離子輻射下P53*與MDM2間產(chǎn)生周期性阻尼振蕩的動力學(xué)軌跡圖(c)輻射時間(Min)濃度p53*underIR=10Gyp53*underIR=11Gyp53*underIR=12GyMDM2underIR=10GyMDM2underIR=11GyMDM2underIR=12Gy05010015020025030035040045050055000.10.20.30.40.50.60.70.8Sp53參數(shù)異常而導(dǎo)致P53*與MDM2異常響應(yīng)DNA損傷的動力學(xué)軌跡圖(d)輻射時間(Min)濃度Sp53P53*MDM2Begin53/18/202426面向腫瘤治療的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)和其動力學(xué)模型Part5：基于腫瘤放療的P53損傷響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)模型3/18/202427面向腫瘤治療的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)和其動力學(xué)模型Part5：基于腫瘤放療的P53損傷響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)模型

5.1模型架構(gòu)

（1）DNA損傷產(chǎn)生修復(fù)，ATM與ARF激活，以及P53-MDM2反饋調(diào)控模塊

。腫瘤放療是極其復(fù)雜的疾病治療過程，細(xì)胞中參與調(diào)控的基因及其信號通路的作用關(guān)系也更加復(fù)雜。我們將更多關(guān)鍵因素加入到了放療作用下的P53損傷響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)模型中。（3）沒有對ATM激活模塊進(jìn)行改動。圖4-1持續(xù)離子輻射下的P53基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)模型圖5-1基于放療的P53損傷響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)模型IRdoseDSBsgenerationandrepairATMactivationP53-MDM2feedbackloopSignaltransferringtoregulatetheprocessofDNAdamagerepairandcellapoptosisOncogenesover-expressionARFactivation（2）改進(jìn)了DNA損傷產(chǎn)生修復(fù)模塊，以及P53-MDM2反饋調(diào)控模塊，并增加了ARF激活模塊。3/18/202428面向腫瘤治療的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)和其動力學(xué)模型Part5：基于腫瘤放療的P53損傷響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)模型

5.2模型實現(xiàn)-DNA損傷修復(fù)模塊（2）將修復(fù)蛋白與DSBCs的數(shù)量作為動態(tài)變量，也就意味著DSBs周圍的修復(fù)蛋白數(shù)量是有限的。

由于FixedDSBs中未被正確修復(fù)部分（Fw）嚴(yán)重影響基因組穩(wěn)定性以及疾病治療效果，因此，我們明確區(qū)分正確修復(fù)（Fr）和Fw部分，并將留存于細(xì)胞的Fw作為腫瘤放療效果的衡量指標(biāo)之一。（1）每個修復(fù)過程都包含F(xiàn)r以及Fw狀態(tài)，下標(biāo)“1”和“2”分別表示快速與慢速的修復(fù)動力學(xué)過程。

圖4-1持續(xù)離子輻射下的P53基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)模型圖5-2DSBs損傷修復(fù)動力學(xué)模型圖D1kdc1kdc2kcf2kfw1kw2kcd1kcd2DSBFixedDSBD2C1C2FrFwDSBCkcf13/18/202429面向腫瘤治療的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)和其動力學(xué)模型Part5：基于腫瘤放療的P53損傷響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)模型

5.2模型實現(xiàn)-P53-MDM2反饋調(diào)控下的腫瘤治療（2）ARF*促進(jìn)MDM2蛋白降解，即抑制其表達(dá)，以增加P53表達(dá)水平

。

ATM與ARF的協(xié)同作用能更有效地啟動細(xì)胞抵抗外界強(qiáng)干擾的能力，因此，我們在P53-MDM2模塊加入了ARF以及相關(guān)的調(diào)控通路。（1）ATM*分別促進(jìn)正向調(diào)控P53，以及抑制MDM2表達(dá)。圖5-4放療過程中ARF激活模塊示意圖學(xué)模型圖Basalmdm2OncoP53DP53RP53PP53*MDM2DMDM2RMDM2PToxinsATM*ARF*DegradationBasalp53（3）作為整個網(wǎng)絡(luò)的核心元素，活躍態(tài)的P53負(fù)責(zé)啟動下游基因及其多條調(diào)控通路。實現(xiàn)對致癌基因表達(dá)抑制、細(xì)胞毒素消除等重要的系統(tǒng)功能

。

3/18/202431面向腫瘤治療的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)和其動力學(xué)模型Part5：基于腫瘤放療的P53損傷響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)模型

5.3部分動力學(xué)仿真-1（a）DSBs周圍修復(fù)蛋白逐漸減少，DSBCs信號強(qiáng)度逐漸減弱。（b）致癌基因表達(dá)水平持續(xù)上升，ARF也以不同速率隨之被激活。（沒有考慮P53*對致癌基因的抑制作用）050100150200250300024681012141618不同強(qiáng)度放療作用下的DSBCs合成以及修復(fù)蛋白數(shù)量變化的動力學(xué)軌跡圖（a)放療時間(Min)濃度RPunderIR=6GyRPunderIR=9GyRPunderIR=15GyDSBCsunderIR=6GyDSBCsunderIR=9GyDSBCsunderIR=15Gy濃度05010015020025030035040000.10.20.30.40.50.60.70.80.91不同強(qiáng)度放療作用下的致癌基因過度表達(dá)以及ARF活化的動力學(xué)過程(b)放療時間(Min)OncounderIR=6GyOncounderIR=9GyOncounderIR=15GyARF*underIR=6GyARF*underIR=9GyARF*underIR=15Gy3/18/202432面向腫瘤治療的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)和其動力學(xué)模型Part5：基于腫瘤放療的P53損傷響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)模型

5.3部分動力學(xué)仿真-2（c）ATM與ARF協(xié)同作用下，P53*振蕩幅度明顯增強(qiáng)，震蕩周期也相對減小。（d）受到P53*負(fù)向調(diào)控后，致癌基因表達(dá)水平以及ARF*到達(dá)峰值后持續(xù)下降，并趨向于表達(dá)零值。01002003004005006007008000.10.20.30.40.50.60.70.80.915Gy放療作用下，P53*在分別受到ATM*以及ARF與ATM*共同作用而產(chǎn)生的不同阻尼振蕩過程(c)放療時間(Min)濃度P53*underbothATM*andARF*P53*underATM*010020030040050060070000.020.040.060.080.10.120.140.160.180.2P53*調(diào)控作用下的致癌基因表達(dá)抑制以及ARF*濃度變化動力學(xué)軌跡圖(d)放療時間(Min)濃度OncounderIR=6GyOncounderIR=9GyOncounderIR=15GyARF*underIR=6GyARF*underIR=9GyARF*underIR=15GyBegin63/18/202433面向腫瘤治療的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)和其動力學(xué)模型Part6：細(xì)胞響應(yīng)放療過程的動力學(xué)分析與預(yù)測3/18/202434面向腫瘤治療的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)和其動力學(xué)模型Part6：細(xì)胞響應(yīng)放療過程的動力學(xué)分析與預(yù)測

6.1模型架構(gòu)為進(jìn)一步展現(xiàn)腫瘤放療過程，實現(xiàn)對放療效果的分析與預(yù)測，我們提出腫瘤放療下的細(xì)胞響應(yīng)動力學(xué)模型。（1）改進(jìn)了ATM與ARF協(xié)同活化模塊，以及P53-MDM2腫瘤治療模塊。（2）沒有對其他模塊進(jìn)行改動。圖6-1腫瘤放療下的細(xì)胞響應(yīng)動力學(xué)模型模型SignaltransferringtoregulatetheprocessesofDNAdamagerepairandcellapoptosisDSBsgenerationandrepairATMactivationIRdoseP53-MDM2feedbackloopOncogenesARFactivation3/18/202435面向腫瘤治療的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)和其動力學(xué)模型Part6：細(xì)胞響應(yīng)放療過程的動力學(xué)分析與預(yù)測

6.2模型實現(xiàn)-ATM與ARF激活模塊（2）其他實現(xiàn)過程與前述ATM與ARF模塊類似。

ARF隨致癌基因過度表達(dá)而逐漸被激活，并進(jìn)一步促進(jìn)ATM的表達(dá)水平。細(xì)胞將通過DSBCs、自身磷酸化反饋作用循環(huán)（ATM*）以及ARF*的共同作用下協(xié)同促進(jìn)ATM*的表達(dá)水平。（1）線性函數(shù)f(C，[ATM*]，[ARF*])表示在DSBCs、ATM*與ARF*聯(lián)合作用下ATM的激活比率。圖6-2放療過程中ATM與ARF激活模塊示意圖kafATMDATMATM*kundimC(DSBCs)ARFARF*Oncogenesover-expressionkonfF(C,[ARF*],[ATM*])karkdim3/18/202436面向腫瘤治療的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)和其動力學(xué)模型Part6：細(xì)胞響應(yīng)放療過程的動力學(xué)分析與預(yù)測

6.2模型實現(xiàn)-P53-MDM2放療模塊改進(jìn)在改進(jìn)的P53-MDM2模塊中加入了oncogenes、ARF及其調(diào)控通路，同時考慮了P53基因突變（mP53）等相關(guān)因素。（1）增加了因致癌基因過度表達(dá)而引起的P53突變（mP53）。圖6-3改進(jìn)后的P53-MDM2放療模塊示意圖OncoP53DP53RP53PP53P*mP53RMDM2DMDM2RMDM2PToxinATM*ARF*SP53SMDM2（2）ATM*與ARF*協(xié)同作用下，P53*將通過啟動下游基因及其復(fù)雜的調(diào)控通路實現(xiàn)對細(xì)胞毒素消除、致癌基因表達(dá)抑制以及mP53降解等放療作用。3/18/202437面向腫瘤治療的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)和其動力學(xué)模型Part6：細(xì)胞響應(yīng)放療過程的動力學(xué)分析與預(yù)測

6.3部分動力學(xué)仿真-1（a）IR超過5Gy時，P53-MDM2阻尼震蕩幅度逐漸開始減弱，暗示著細(xì)胞響應(yīng)基因組損傷的能力開始下降

。（b）約100分鐘的7Gy持續(xù)輻射后Fw開始大幅度增加，毒素清除速率將隨著輻射劑量增強(qiáng)而明顯減弱

。

010020030040050060070080000.10.20.30.40.50.60.70.80.9不同強(qiáng)度放療作用下P53*與MDM2產(chǎn)生周期性阻尼振蕩的動力學(xué)過程(a)放療時間(Min)濃度P53*underIR=2GyP53*underIR=5GyP53*underIR=7GyMDM2underIR=2GyMDM2underIR=5GyMDM2underIR=7Gy(b)放療時間(Min)010020030040050060070080000.511.522.533