專(zhuān)利名稱(chēng)：新型生物網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)建方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于系統(tǒng)生物學(xué)領(lǐng)域，尤其是涉及一種復(fù)雜生物網(wǎng)絡(luò)的建模方法。
背景技術(shù)：
根據(jù)Newman的觀點(diǎn)，現(xiàn)實(shí)世界中的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)主要包括社會(huì)網(wǎng)絡(luò)、信息網(wǎng)絡(luò)、技術(shù)網(wǎng)絡(luò)和生物網(wǎng)絡(luò)四大類(lèi)。生物體作為一種典型的復(fù)雜系統(tǒng)，其中很多子系統(tǒng)可以表示成復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。特別是，當(dāng)人類(lèi)基因組完成后隨著后基因組學(xué)時(shí)代的到來(lái)，生物學(xué)研究的熱點(diǎn)由對(duì)細(xì)胞內(nèi)個(gè)別基因或蛋白質(zhì)功能的局部性研究，轉(zhuǎn)移到以細(xì)胞內(nèi)全部的基因、mRNA、蛋白質(zhì)及代謝產(chǎn)物相互作用的研究。生物網(wǎng)絡(luò)(基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)、新陳代謝網(wǎng)絡(luò)、蛋白質(zhì)互作網(wǎng)絡(luò)等) 的預(yù)測(cè)和重建就成為后基因組學(xué)研究中的一個(gè)嶄新的、極其重要的研究領(lǐng)域，其研究方法主要是利用大量的生物實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，運(yùn)用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)來(lái)反向分析和挖掘特定生物元件之間的關(guān)聯(lián)信息，并試圖以復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的觀點(diǎn)來(lái)揭示其復(fù)雜的作用機(jī)理、功能信息及演化機(jī)制。目前已有的大量實(shí)證分析表明，生物網(wǎng)絡(luò)與其他真實(shí)網(wǎng)絡(luò)一樣具有小世界和無(wú)標(biāo)度特性。然而，生物網(wǎng)絡(luò)的演化機(jī)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(wǎng)絡(luò)的內(nèi)在機(jī)制。Watts和Mrogatz在規(guī)則網(wǎng)和隨機(jī)網(wǎng)的基礎(chǔ)上提出的小世界網(wǎng)絡(luò)模型，雖然具有較大平均聚集系數(shù)和較小最短路徑的特點(diǎn)，但網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)度分布卻沒(méi)有呈現(xiàn)冪率性質(zhì)。BarabcSsi和Albert提出的基于增長(zhǎng)性和擇優(yōu)連接性的BA網(wǎng)絡(luò)模型，雖然具有冪率性質(zhì)，但BA網(wǎng)絡(luò)模型的節(jié)點(diǎn)匹配系數(shù)卻等于0，這與真實(shí)生物網(wǎng)絡(luò)性質(zhì)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(zhì)作用網(wǎng)絡(luò)和基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)模型，其中大部分模型都只考慮了復(fù)制和變異這兩個(gè)基本生物過(guò)程。近年來(lái)，另一類(lèi)生物復(fù)雜系統(tǒng)越來(lái)越受到研究者們的重視，這類(lèi)復(fù)雜系統(tǒng)的組成單體是蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域。蛋白質(zhì)是生命體生理功能的執(zhí)行者及生命現(xiàn)象的體現(xiàn)者，結(jié)構(gòu)域是蛋白質(zhì)行使功能的基本單位，結(jié)構(gòu)域重組與序列復(fù)制和變異一起是驅(qū)動(dòng)生物進(jìn)化的基本機(jī)制。而這些基本機(jī)制的實(shí)現(xiàn)并未被現(xiàn)有技術(shù)中提供的現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)模型所囊括，本發(fā)明因此而來(lái)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種模擬生物演化特性的生物網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)建方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)中生物網(wǎng)絡(luò)模型難以反映生物網(wǎng)絡(luò)中蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域重組網(wǎng)絡(luò)的特性等問(wèn)題。為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的這些問(wèn)題，本發(fā)明提供的技術(shù)方案是—種模擬生物演化特性的生物網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)建方法，其特征在于所述方法包括以下步驟(1)生物網(wǎng)絡(luò)的初始化預(yù)設(shè)含有mQ個(gè)初始節(jié)點(diǎn)的初始網(wǎng)絡(luò)(V所述初始網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)間相互連通；其中mQ為整數(shù)，且2 ^ m0 < 10 ；(2)在預(yù)設(shè)的單位時(shí)間內(nèi)增加新的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)ν ；新加入的節(jié)點(diǎn)ν以隨機(jī)概率r選擇執(zhí)行選自結(jié)構(gòu)域重組模塊、復(fù)制變異模塊或增長(zhǎng)模塊中的一種，其中r滿(mǎn)足以下條件 O^r^ 1，且節(jié)點(diǎn)選擇三種模型的各個(gè)概率之和為1 ；(3)循環(huán)重復(fù)進(jìn)行步驟O)，直至網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模達(dá)到預(yù)期的規(guī)模。優(yōu)選的，所述方法中如果選擇執(zhí)行結(jié)構(gòu)域重組模塊的概率為R，選擇執(zhí)行復(fù)制變異模塊的概率為D，則選擇執(zhí)行增長(zhǎng)模塊的概率為I-R-D ；則當(dāng)0 < r < R時(shí)選擇執(zhí)行結(jié)構(gòu)域重組模塊，當(dāng)R < r < (R+D)時(shí)選擇執(zhí)行復(fù)制變異模塊，當(dāng)(R+D) ^r^ 1時(shí)選擇執(zhí)行增長(zhǎng)模塊。優(yōu)選的，所述方法中執(zhí)行結(jié)構(gòu)域重組模塊包括以下步驟Al)在已構(gòu)建的生物網(wǎng)絡(luò)中尋找結(jié)構(gòu)域節(jié)點(diǎn)；A2)根據(jù)反偏向優(yōu)先性原則使兩結(jié)構(gòu)域節(jié)點(diǎn)間產(chǎn)生一條連接兩節(jié)點(diǎn)的新的邊以表示結(jié)構(gòu)域節(jié)點(diǎn)發(fā)生協(xié)作關(guān)系。優(yōu)選的，所述方法中所述結(jié)構(gòu)域節(jié)點(diǎn)為已構(gòu)建的生物網(wǎng)絡(luò)中度數(shù)低的節(jié)點(diǎn)。優(yōu)選的，所述方法中根據(jù)反偏向優(yōu)先性原則連接是選擇節(jié)點(diǎn)度數(shù)最小的沒(méi)有直接連接的兩個(gè)結(jié)構(gòu)域節(jié)點(diǎn)，生成一條新的邊，以表示已有結(jié)構(gòu)域節(jié)點(diǎn)間發(fā)生協(xié)作關(guān)系。優(yōu)選的，所述方法中執(zhí)行復(fù)制變異模塊包括以下步驟Bi)在已構(gòu)建的生物網(wǎng)絡(luò)中根據(jù)偏向優(yōu)先性原則選出一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為可復(fù)制節(jié)點(diǎn)， 按照可復(fù)制節(jié)點(diǎn)的屬性復(fù)制產(chǎn)生新節(jié)點(diǎn)；B2)對(duì)復(fù)制產(chǎn)生的新節(jié)點(diǎn)的每一條邊進(jìn)行概率為Cl1的判斷；當(dāng)產(chǎn)生邊的生存概率小于Cl1時(shí)，新節(jié)點(diǎn)的該邊刪除；否則保留該節(jié)點(diǎn)此邊。優(yōu)選的，所述方法中步驟Bi)可復(fù)制節(jié)點(diǎn)的選擇為根據(jù)節(jié)點(diǎn)度的大小優(yōu)先選擇偏向度數(shù)高的節(jié)點(diǎn)作為選擇的可復(fù)制節(jié)點(diǎn)。優(yōu)選的，所述方法中執(zhí)行增長(zhǎng)模塊的步驟包括以下步驟Cl)在已構(gòu)建的生物網(wǎng)絡(luò)中新增一個(gè)具有度數(shù)為m的節(jié)點(diǎn)，其中m為整數(shù)，且0 < m < m0 ；C2)按照BA模型中偏向優(yōu)先性原則將新節(jié)點(diǎn)的m條邊連接已構(gòu)建的生物網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)存在的m個(gè)其他節(jié)點(diǎn)。優(yōu)選的，所述方法中步驟以)中新節(jié)點(diǎn)的m條邊優(yōu)先選擇連接偏向度數(shù)高的節(jié)點(diǎn)。優(yōu)選的，所述方法中節(jié)點(diǎn)的偏向指數(shù)根據(jù)以下公式計(jì)算
權(quán)利要求
1.一種模擬生物演化特性的生物網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)建方法，其特征在于所述方法包括以下步驟(1)生物網(wǎng)絡(luò)的初始化預(yù)設(shè)含有Hl0個(gè)初始節(jié)點(diǎn)的初始網(wǎng)絡(luò)(V所述初始網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)間相互連通；其中mQ為整數(shù)，且2 ( m0< 10 ；(2)在預(yù)設(shè)的單位時(shí)間內(nèi)增加新的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)ν；新加入的節(jié)點(diǎn)ν以隨機(jī)概率r選擇執(zhí)行選自結(jié)構(gòu)域重組模塊、復(fù)制變異模塊或增長(zhǎng)模塊中的一種，其中r滿(mǎn)足以下條件 O^r ^ 1，且節(jié)點(diǎn)選擇三種模型的各個(gè)概率之和為1 ；(3)循環(huán)重復(fù)進(jìn)行步驟(2)，直至網(wǎng)絡(luò)模型的規(guī)模達(dá)到預(yù)期的規(guī)模。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述方法中如果選擇執(zhí)行結(jié)構(gòu)域重組模塊的可能性為R，選擇執(zhí)行復(fù)制變異模塊的可能性為D，則選擇執(zhí)行增長(zhǎng)模塊的可能性為 (I-R-D)；當(dāng)0 < r < R時(shí)選擇執(zhí)行結(jié)構(gòu)域重組模塊，當(dāng)R<r<(R+D)時(shí)選擇執(zhí)行復(fù)制變異模塊，當(dāng)(R+D) ^r^ 1時(shí)選擇執(zhí)行增長(zhǎng)模塊。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述方法中執(zhí)行結(jié)構(gòu)域重組模塊包括以下步驟Al)在已構(gòu)建的生物網(wǎng)絡(luò)中尋找結(jié)構(gòu)域節(jié)點(diǎn)；A2)根據(jù)反偏向優(yōu)先性原則使兩結(jié)構(gòu)域節(jié)點(diǎn)間產(chǎn)生一條連接兩節(jié)點(diǎn)的新的邊以表示結(jié)構(gòu)域節(jié)點(diǎn)發(fā)生協(xié)作關(guān)系。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于所述方法中所述結(jié)構(gòu)域節(jié)點(diǎn)為已構(gòu)建的生物網(wǎng)絡(luò)中度數(shù)低的節(jié)點(diǎn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于所述方法中根據(jù)反偏向優(yōu)先性原則連接是選擇節(jié)點(diǎn)度數(shù)最小的沒(méi)有直接連接的兩個(gè)結(jié)構(gòu)域節(jié)點(diǎn)，生成一條新的邊，以表示已有結(jié)構(gòu)域節(jié)點(diǎn)間發(fā)生協(xié)作關(guān)系。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述方法中執(zhí)行復(fù)制變異模塊包括以下步驟Bi)在已構(gòu)建的生物網(wǎng)絡(luò)中根據(jù)偏向優(yōu)先性原則選出一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為可復(fù)制節(jié)點(diǎn)，按照可復(fù)制節(jié)點(diǎn)的屬性復(fù)制產(chǎn)生新節(jié)點(diǎn)；B2)對(duì)復(fù)制產(chǎn)生的新節(jié)點(diǎn)的每一條邊進(jìn)行概率為Cl1的判斷；當(dāng)產(chǎn)生邊的生存概率小于 Cl1時(shí)，新節(jié)點(diǎn)的該邊刪除；否則保留該節(jié)點(diǎn)此邊。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于所述方法中步驟Bi)可復(fù)制節(jié)點(diǎn)的選擇為根據(jù)節(jié)點(diǎn)度的大小優(yōu)先選擇偏向度數(shù)高的節(jié)點(diǎn)作為選擇的可復(fù)制節(jié)點(diǎn)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述方法中執(zhí)行增長(zhǎng)模塊的步驟包括以下步驟Cl)在已構(gòu)建的生物網(wǎng)絡(luò)中新增一個(gè)具有度數(shù)為m的節(jié)點(diǎn)，其中m為整數(shù)，且0<m< m0 ；C2)按照BA模型中偏向優(yōu)先性原則將新節(jié)點(diǎn)的m條邊連接已構(gòu)建的生物網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)存在的m個(gè)其他節(jié)點(diǎn)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于所述方法中步驟C2)中新節(jié)點(diǎn)的m條邊優(yōu)先選擇連接偏向度數(shù)高的節(jié)點(diǎn)。
10.根據(jù)權(quán)利要求6或8所述的方法，其特征在于所述方法中節(jié)點(diǎn)的偏向指數(shù)根據(jù)以下公式計(jì)算
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種模擬生物演化特性的生物網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)建方法，其特征在于所述方法包括以下步驟(1)生物網(wǎng)絡(luò)的初始化預(yù)設(shè)含有m0個(gè)初始節(jié)點(diǎn)的初始網(wǎng)絡(luò)G0，所述初始網(wǎng)絡(luò)G0內(nèi)節(jié)點(diǎn)間相互連通；其中m0為整數(shù)，且2≤m0<10；(2)在預(yù)設(shè)的單位時(shí)間內(nèi)增加新的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)v；新加入的節(jié)點(diǎn)v以隨機(jī)概率r選擇執(zhí)行選自結(jié)構(gòu)域重組模塊、復(fù)制變異模塊或增長(zhǎng)模塊中的一種，其中r滿(mǎn)足以下條件0≤r≤1，且節(jié)點(diǎn)選擇三種模型的各個(gè)概率之和為1；(3)循環(huán)重復(fù)進(jìn)行步驟(2)，直至網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模達(dá)到預(yù)期的規(guī)模。該方法構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)模型具有小世界(較小的平均距離)、無(wú)尺度特性(冪率度分布)、較大的聚集系數(shù)、生物網(wǎng)絡(luò)的異配性特點(diǎn)，能較好地反映真實(shí)復(fù)雜系統(tǒng)的特點(diǎn)，更加符合真實(shí)生物網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)。
文檔編號(hào)G06F19/12GK102306251SQ201110278289
公開(kāi)日2012年1月4日 申請(qǐng)日期2011年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月20日
發(fā)明者李鑫, 謝雪英 申請(qǐng)人:東南大學(xué)