随机网络和基于复制-变异机制的生物分子网络的可压缩性
作者单位：河南大学
学位级别：硕士
导师姓名：王沛
授予年度：2023年
主 题：复制-变异 随机网络 生物分子网络 网络的可压缩性 蛋白质相互作用网络 率失真理论
摘 要：生物分子系统可以用复杂网络理论进行建模.生命系统通过复杂的生物分子网络传递遗传信息和外界信号,进而调控生物的环境适应性和表型.由于受到系统内外噪声、生物分子复制和变异等的影响,信息在生物分子网络上的传递过程中不可避免的存在一定的失真.信息论中的率失真理论为信息传递过程中存在一定失真时的信源编码研究提供了理论基础,成为从信息传输效率角度研究复杂网络可压缩性的有力工具.本文基于率失真理论,主要研究随机网络和生物分子网络的可压缩性.着重探讨各类网络的可压缩性与网络拓扑结构之间的关系,以期为生物等网络在结构粗粒化过程中如何保持信息传递效率等提供指导.首先,本文考虑了规则网络、Erd?s-Rényi(ER)随机网络、小世界网络和无标度网络的可压缩性.真实的生物分子网络具有稀疏性、无标度、异配性、小世界性、模块性等特征,对具有不同拓扑结构性质的随机网络的研究可以为真实生物分子网络的研究提供指导.研究发现,规则网络的可压缩性随着网络规模和节点度的增加而增加;在固定网络平均度的情况下,随机网络的可压缩性随着网络规模的增加而降低,随连边概率的增加而提高;在幂律指数可调的无标度网络中,当幂律指数较小时,网络的可压缩性随着网络规模的增加而提高;但是随着幂率指数的增加,无标度网络的可压缩性受网络规模的影响变弱.发现度异质性越高的网络,可压缩性受网络规模的影响越大.然后,考虑了基于复制-变异机制的人工生物分子网络的可压缩性.通过考虑随机、偏好、反偏好三种复制机制以及二聚化、加边和删边等不同的变异机制,生成了大量的和实际生物分子网络具有相似拓扑结构特征的人工生物分子网络.基于率失真理论,在生成的网络中研究了不同的复制机制和变异机制对人工生物分子网络的可压缩性的影响.研究发现复制、二聚化和加边变异有助于网络可压缩性的提高,而删边变异不利于网络的可压缩性.最后,研究了真实的酵母菌蛋白质相互作用网络(PPI)的可压缩性.由于真实的网络是静态的,无法研究可压缩性随着网络尺度变化的规律性.为克服这一问题,本文对真实的PPI网络进行了网络抽样,通过随机抽取真实网络的大量的不同尺度的子网络考察其可压缩性变化规律.研究发现网络的可压缩性随着网络的平均度增大而增加,说明了平均度大的网络有利于被压缩.本文从随机网络到人工生物分子网络,再到真实的PPI网络,发现三类网络中:(1)网络的结构越规律,可压缩性受网络规模影响越小.(2)网络的可压缩性随着网络的平均度增加而增加.(3)网络的可压缩程度与其度分布有关.相关研究为从信息传输角度理解生物分子网络的结构与功能之间的关系奠定了理论基础,对于生物分子网络的结构粗粒化及理解其演化规律性具有重要意义.
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