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Non-equilibrium and stochasticity influence the activation process of the yeast DNA damage pathway

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Science China(Physics,Mechanics & Astronomy) 2018年第2期61卷 76-79页

作者： ChenZi Jin XiaoDong Yan fangting li School of Physics Center for Quantitative Biology Peking University

living cells are open systems that exist far away from a state of thermodynamical equilibrium. They utilize the high-grade chemical energy provided by food to produce ATP and re- lease ADP and Pi together with heat dissipation. living cells exist in a non-equilibrium steady state （NESS）, they replicate themselves and respond to various environmental changes via signal transduction pathways. Because the majority of cells exist at room temperature, the stochasticity of chemical reac- tions in the cells is unavoidable. Recent research into fluores- cent proteins and microscopy techniques have enabled us to observe the dynamic process of mRNA and proteins in single living bacterial cells [1], and these have resulted in new in- sights into regulation mechanisms in molecular biology, i.e., in cellular signal transduction pathways.

关键词： Non-equilibrium stochasticity influence DNA damage pathway

Genetic and logic networks with the signal-inhibitor-activator structure are dynamically robust

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Progress in Natural Science:Materials International 2006年第12期16卷 1329-1336页

作者： li fangting** and TAN Ning(School of Physics and Centre for Theoretical Biology, Peking University, Beijing 100871, China) [a]School of Physics and Centre for Theoritical Biology Peking University Beijing China

The proteins, DNA and RNA interaction networks govern various biological functions in living cells, these networks should be dynamically robust in the intracellular and environmental fluctuations. Here, we use Boolean network to study the robust structure of both genetic and logic networks. First, SOS network in bacteria E. coli, which regulates cell survival and repair after DNA damage, is shown to be dynamically robust. Comparing with cell cycle network in budding yeast and flagella network in E. coli, we find the signal-inhibitor-activator (SIA) structure in transcription regulatory networks. Second, under the dynamical rule that inhibition is much stronger than activation, we have searched 3-node non-self-loop logical networks that are dynamically robust, and that if the attractive basin of a final attractor is as large as seven, and the final attractor has only one active node, then the active node acts as inhibitor, and the SIA and signal-inhibitor (SI) structures are fundamental architectures of robust networks. SIA and SI networks with dynamic robustness against environment uncertainties may be selected and maintained over the course of evolution, rather than blind trial-error testing and being an accidental consequence of particular evolutionary history. SIA network can perform a more complex process than SI network, and SIA might be used to design robust artificial genetic network. Our results provide dynamical support for why the inhibitors and SIA/SI structures are frequently employed in cellular regulatory networks.

关键词： genetic network signal-inhibitor-activator (SIA) structure Boolean network model dynamical robust.

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芽殖酵母细胞周期过程不同时期的定量观测

北京大学学报（自然科学版） 2019年第4期55卷 609-614页

作者：张志温李方廷北京大学物理学院北京大学定量生物学中心

在芽殖酵母中构建CDC10-mCherry和SPC42-mCherry荧光蛋白,作为酵母细胞周期不同时期的报告系统。根据酵母细胞中芽环(CDC10-mCherry)的产生和消失以及纺锤体极体(SPC42-mCherry)的复制和分离,可以测量细胞周期中G1期、S期、EarlyM期和La... 详细信息

在芽殖酵母中构建CDC10-mCherry和SPC42-mCherry荧光蛋白,作为酵母细胞周期不同时期的报告系统。根据酵母细胞中芽环(CDC10-mCherry)的产生和消失以及纺锤体极体(SPC42-mCherry)的复制和分离,可以测量细胞周期中G1期、S期、EarlyM期和LateM期的时间长度。在此报告系统的基础上,分别构建S期细胞周期蛋白CLB5-GFP和M期细胞周期蛋白CLB2-GFP菌株,实现单细胞观测,检验报告系统工作的稳定性和准确性。该报告系统可作为研究酵母细胞周期不同时期时间长度等定量生物学问题的背景菌株。

关键词：芽殖酵母单细胞观测细胞周期时间标记

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耕地“非农化”遥感解译样本分类体系及应用

农业工程学报 2022年第15期38卷 297-304页

作者：厉芳婷张过石婷婷李乐武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室武汉430079 湖北省测绘工程院武汉430074 湖北省航测遥感院武汉430074 广东工业大学管理学院广州510520

了解耕地“非农化”的时空格局及其演变过程,是合理制定土地利用政策的重要依据;卫星遥感具有大范围的时空监测能力,基于遥感影像进行耕地监测,极为高效。针对耕地“非农化”类型复杂多样、“非农化”遥感监测分类体系缺乏的问题,该研... 详细信息

了解耕地“非农化”的时空格局及其演变过程,是合理制定土地利用政策的重要依据;卫星遥感具有大范围的时空监测能力,基于遥感影像进行耕地监测,极为高效。针对耕地“非农化”类型复杂多样、“非农化”遥感监测分类体系缺乏的问题,该研究提出了耕地“非农化”遥感解译样本分类体系,进而构建耕地“非农化”遥感解译样本库。针对样本采集效率低、质量差的问题,该研究提出了一种基于地理国情监测成果的快速样本采集方法,用于快速获取高精度、高可靠性的“非农化”遥感解译样本。为验证方法的可行性和有效性,选取湖北省范围作为研究区域,利用该研究所提出的耕地“非农化”样本体系和样本采集方法,采集了覆盖平原、丘陵、山地、高山等地形的9类样本,并形成了深度学习模型训练的样本库;选择EfficientNet深度学习网络提取湖北省耕地“非农业”空间分布。结果表明:1)基于地理国情监测成果的样本采集方法可以极大地利用地理国情监测数据空间、属性精度高的特点,快速、精确定位变化样本。2)依据分类体系采集的样本用于模型优化后,样本数量超过5000时,模型精度有明显提高。在验证区域,采用目视解译和外业核查点的方式进行精度验证,其正检率分别为67.0%和76.5%,召回率分别为77.9%和76.5%。3)利用样本体系训练构建的网络模型相较于全要素样本训练模型,精度有显著提高,5个核查区正检率均提高20个百分点以上。因此,该研究提出的方法可以提高耕地“非农化”遥感监测的效率和精度,可适用于区域尺度的耕地遥感季度监测。

关键词：遥感分类解译样本耕地非农化精度评价

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芽殖酵母S期检验点通路定量生物学研究

北京大学学报（自然科学版） 2015年第5期51卷 805-811页

作者：贾勇强李方廷北京大学物理学院北京100871

构建由羟基脲(HU)诱导的芽殖酵母S期检验点激活和调控DNA复制的理论模型。模拟结果表明,对于不同浓度HU的刺激,检验点激活和调控系统的反应存在霍普夫分岔,其中的分岔点对应于检验点激活的HU阈值浓度;而且发现该通路的激活过程在较大参... 详细信息

构建由羟基脲(HU)诱导的芽殖酵母S期检验点激活和调控DNA复制的理论模型。模拟结果表明,对于不同浓度HU的刺激,检验点激活和调控系统的反应存在霍普夫分岔,其中的分岔点对应于检验点激活的HU阈值浓度;而且发现该通路的激活过程在较大参数范围内会出现振荡现象。同时,利用构建了Rnr3-GFP荧光蛋白的酵母菌株,在不同的HU浓度刺激下,测量酵母菌Rnr3蛋白多时间点的表达水平,得到酵母菌对HU浓度的实验反应阈值,与理论结果相符合。这一工作构建了酵母S期检验点定量研究的基本框架,可为进一步的理论和实验研究提供线索。

关键词： S期检验点自磷酸化双稳态霍普夫分岔

前列腺癌的演化动力学模型以及治疗策略的优化

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北京大学学报（自然科学版） 2019年第6期55卷 987-994页

作者：高鑫史书毓李方廷北京大学物理学院北京100871 北京大学第三医院北京100191 北京大学定量生物学中心北京100871

前列腺癌是男性常见的恶性肿瘤。临床上常用的干扰雄激素的治疗药物是阿比特龙,但长期高剂量的阿比特龙治疗常导致患者前列腺肿瘤细胞进化至药物抵抗。为了揭示前列腺癌发展的动力学机制,本文引入给药剂量因素,建立二变量的肿瘤演化定... 详细信息

前列腺癌是男性常见的恶性肿瘤。临床上常用的干扰雄激素的治疗药物是阿比特龙,但长期高剂量的阿比特龙治疗常导致患者前列腺肿瘤细胞进化至药物抵抗。为了揭示前列腺癌发展的动力学机制,本文引入给药剂量因素,建立二变量的肿瘤演化定量模型。通过分析固定给药和适应性给药策略的动力学性质,并绘制势能景观图,从动力学角度展示适应性给药策略的优势,揭示高剂量药物导致体系演化为不可逆药物抵抗状态的动力学机理。此外还构建治疗策略的评分体系,以便优化治疗策略。

关键词：前列腺癌阿比特龙药物抵抗动力学模型策略优化

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角膜神经显微图像的自适应渐晕校正

光学精密工程 2022年第20期30卷 2479-2488页

作者：李天宇李光旭张琛李方烃李德衡天津工业大学电子与信息工程学院天津300387 天津市光电检测技术与系统重点实验室天津300387 天津医科大学眼科医院眼视光学院天津300384 国家眼耳鼻喉疾病临床医学研究中心天津市分中心天津300384 天津市视网膜功能与疾病重点实验室天津300384 北京大学人民医院眼科北京100044 瑞达昇医疗科技有限公司北京101100

通过拼接角膜神经图像可以减小显微图像视场小的影响。由于显微图像存在渐晕效果,拼接图像会在拼接处产生伪影,影响医生诊断。为解决拼接图像的渐晕伪影问题,提出了一种通过非线性多项式函数建模进行图像渐晕校正的方法。首先,对单张角... 详细信息

通过拼接角膜神经图像可以减小显微图像视场小的影响。由于显微图像存在渐晕效果,拼接图像会在拼接处产生伪影,影响医生诊断。为解决拼接图像的渐晕伪影问题,提出了一种通过非线性多项式函数建模进行图像渐晕校正的方法。首先,对单张角膜神经图像建立渐晕模型,设置符合渐晕物理性质的约束条件,利用L-M优化算法对渐晕模型参数进行迭代优化。在每次迭代优化过程中,计算对数信息熵,对当前渐晕模型的校正效果进行判断,防止图像过度校正。迭代优化结束后,将渐晕模型反向补偿原图像,完成渐晕校正处理。通过对比校正前后的拼接图像,校正后图像在拼接处无明显的渐晕伪影。实验测试5组不同患者的图像,校正后图像MSE、PSNR、SSIM评估指标平均值分别达到0.0042、72.2251 dB、0.9600,具有最佳的校正效果。本文算法的校正效果明显优于其他同类算法的校正效果。该方法能够有效地对角膜图像渐晕效果进行校正,无须提前设置固定的相机和环境亮度参数。校正后图像拼接效果良好,可获得更加准确、清晰、视野范围大的角膜神经拼接图像。

关键词：计算机视觉角膜神经显微图像渐晕校正共聚焦显微镜对数信息熵

基于双流并行全向扫描Mamba的遥感影像建筑物变化检测

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武汉大学学报（信息科学版） 2024年第9期49卷 1574-1585页

作者：厉芳婷张过周方栋王上梁思李志炜武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室湖北武汉430079 湖北省航测遥感院湖北武汉430074 华中师范大学人工智能教育学部湖北武汉430079 91001部队北京100841

采用深度学习技术对海量遥感影像进行建筑物变化检测与解译分析,可以为自然资源要素管理和国土资源节约集约化提供关键科学依据和数据支持,对自然资源动态监测和空间治理现代化具有重要意义。状态空间模型Mamba结合了全局感受野与动态加... 详细信息

采用深度学习技术对海量遥感影像进行建筑物变化检测与解译分析,可以为自然资源要素管理和国土资源节约集约化提供关键科学依据和数据支持,对自然资源动态监测和空间治理现代化具有重要意义。状态空间模型Mamba结合了全局感受野与动态加权,在时间序列预测任务中能够更好地捕捉趋势和周期性信息,然而目前Mamba在遥感影像密集预测的研究尚不充分,对高分辨率遥感影像变化检测存在计算复杂度高、检测效率低等问题。对影响Mamba算法参数量的关键因素进行了深入分析,提出了双流并行全向扫描Mamba网络,构建通道内的数据并行化处理方法,在通道总数不变的情况下,有效减少单个Mamba块中数据的通道数,实现网络总体参数量的下降和高效的特征提取。在LEVIR-CD和WHU-CD两个数据集上进行了对比实验,结果表明,所提网络各项指标均优于非Mamba架构的网络,与基准网络对比训练效率分别提升了19.45%和8.26%,且在网络参数量与计算复杂度方面显著降低,分别降低了35.8%和22.4%。

关键词：高分辨率遥感影像变化检测深度学习状态空间模型双流并行

胰岛炎症导致的2型糖尿病发病过程的动力学模型及治疗策略

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北京大学学报（自然科学版） 2021年第2期57卷 199-208页

作者：林智立雷蕾李长润李方廷北京大学物理学院北京大学定量生物学中心北京100871 中国科学院生物物理研究所生物大分子国家重点实验室中国科学院科教融合生物大分子卓越创新中心北京100101 北京大学第四临床医学院北京100871

为了揭示胰岛炎症导致2型糖尿病发生发展的机制,建立胰岛β细胞和巨噬细胞相互作用的数学模型,包括IL-1β的产生和巨噬细胞的浸润过程,研究高浓度葡萄糖和游离脂肪酸对IL-1β的共同作用,揭示胰岛炎症在2型糖尿病进程中的动力学机理。通... 详细信息

为了揭示胰岛炎症导致2型糖尿病发生发展的机制,建立胰岛β细胞和巨噬细胞相互作用的数学模型,包括IL-1β的产生和巨噬细胞的浸润过程,研究高浓度葡萄糖和游离脂肪酸对IL-1β的共同作用,揭示胰岛炎症在2型糖尿病进程中的动力学机理。通过对模型中动力学参数的敏感性分析,提出针对不同患病情况的可能的优化治疗策略。

关键词： 2型糖尿病胰岛炎症动力学模型巨噬细胞浸润 IL-1β