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隐性剂量反应曲线

Implicit dose-response curves.

作者信息

Pérez Millán Mercedes, Dickenstein Alicia

机构信息

Dto. de Matemática, FCEN, Universidad de Buenos Aires, Ciudad Universitaria, Pab. I, C1428EGA , Buenos Aires, Argentina,

出版信息

J Math Biol. 2015 Jun;70(7):1669-84. doi: 10.1007/s00285-014-0809-4. Epub 2014 Jul 10.

DOI:10.1007/s00285-014-0809-4
PMID:25008963
Abstract

We develop tools from computational algebraic geometry for the study of steady state features of autonomous polynomial dynamical systems via elimination of variables. In particular, we obtain nontrivial bounds for the steady state concentration of a given species in biochemical reaction networks with mass-action kinetics. This species is understood as the output of the network and we thus bound the maximal response of the system. The improved bounds give smaller starting boxes to launch numerical methods. We apply our results to the sequential enzymatic network studied in Markevich et al. (J Cell Biol 164(3):353-359, 2004) to find nontrivial upper bounds for the different substrate concentrations at steady state. Our approach does not require any simulation, analytical expression to describe the output in terms of the input, or the absence of multistationarity. Instead, we show how to extract information from effectively computable implicit dose-response curves, with the use of resultants and discriminants. We moreover illustrate in the application to an enzymatic network, the relation between the exact implicit dose-response curve we obtain symbolically and the standard hysteresis diagram provided by a numerical ode solver. The setting and tools we propose could yield many other results adapted to any autonomous polynomial dynamical system, beyond those where it is possible to get explicit expressions.

摘要

我们开发了计算代数几何工具,用于通过变量消去法研究自治多项式动力系统的稳态特征。特别是,我们获得了具有质量作用动力学的生化反应网络中给定物种稳态浓度的非平凡界。该物种被视为网络的输出,因此我们界定了系统的最大响应。改进后的界为启动数值方法提供了更小的起始框。我们将结果应用于Markevich等人(《细胞生物学杂志》164(3):353 - 359, 2004)研究的顺序酶促网络,以找到稳态下不同底物浓度的非平凡上界。我们的方法不需要任何模拟、用输入描述输出的解析表达式,也不需要不存在多稳态性。相反,我们展示了如何利用结式和判别式从有效可计算的隐式剂量 - 反应曲线中提取信息。此外,在酶促网络的应用中,我们说明了通过符号计算得到的精确隐式剂量 - 反应曲线与数值常微分方程求解器提供的标准滞后图之间的关系。我们提出的设置和工具除了在能够得到显式表达式的情况外,还可以产生许多适用于任何自治多项式动力系统的其他结果。

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