20世纪生物学经历了由宏观到微观的发展过程,由形态、表型的描述逐步分解、细化到生物体的各种分子水平功能的研究。系统生物学是在细胞、组织、器官和生物体整体水平研究结构和功能各异的各种生物分子及其相互作用,并通过理论和计算来定量描述和预测生物功能、表型和行为。系统生物学将在基因组序列的基础上完成由生命密码到生命过程的研究,这是一个逐步整合的过程,由生物体内各种分子的鉴别及其相互作用的研究到途径、模块、网络,最终完成整个生命活动的路线图。这个过程可能需要一个世纪或更长时间,因此常把系统生物学称为21世纪的生物学。非生物的复杂系统一般由相对简单的元件组合产生复杂的功能和行为,而生物体是由大量结构和功能不同的元件组成的复杂系统,并由这些元件选择性和非线性的相互作用产生复杂的功能和行为。因此,要建立多层次的组学技术平台,研究和鉴别生物体内所有分子,研究其功能和相互作用,在各种技术平台产生的大量数据的基础上,通过计算生物学用数学语言定量描述和预测生物学功能和生物体表型和行为。生物体的复杂性和大量过程的非线性动力学特征对数学、计算科学是一个新的挑战。生物体在系统内部的个体相互作用以及系统外部的环境变化的双重影响下,整体上会涌现出大量新的性质,诸如分岔、滞后、适应、学习等非线性性质。通过对系统的非线性动力学建模及分析我们可以获得关于生物体结构和功能的种种新的认识和理解。过去,人们一直认为在所有的活体中基因表达的调控是调控蛋白的任务。然而,随着越来越多的通过非编码RNA实现的转录后调控的发现,转录后调控被认为在各种细胞过程中起着突出的调控作用。MicroRNA是一种非编码RNA,大量的实验表明它们对多种生物过程起着重要的调控作用,包括胚胎发育、癌症发生等。有计算表明人类基因组大约三分之二的基因都受到microRNA的调控。以上证据都表明由microRNA进行的转录后调控具有重要的作用。本文,我们主要运用非线性动力学建模的方法研究了microRNA调控网络的动力学及功能。主要包括以下三个方面的内容：(1)MicroRNA介导的模体的动力学性质及其功能；(2)MicroRNA对细胞周期的正调控机制研究；(3)MicroRNA对p53网络的调控。在介绍了系统生物学、MicroRNA的研究现状、化学动力学以及本文要研究的两个网络细胞周期网络和p53网络后,我们重点介绍了本文的主要工作和创新点。现概括如下：(1)MicroRNA介导的模体的动力学性质及其功能。有计算表明MicroRNA的调控网络具有模体结构。高度重复的模体结构一定对应某些重要的生物学功能,我们对四种microRNA介导的模体进行非线性动力学建模,然后通过理论分析和数值模拟对它们动力学性质的研究揭示这些模体的生物学功能。我们发现这些模体的动力学行为对内外噪声以及输入的变化具有鲁棒性；当考虑时滞因素后模体Ⅰ和Ⅱ的动力学性质不变,而模体Ⅲ和Ⅳ可以通过Hopf产生周期性振子,而且Hopf分叉的发生只与时滞有关,与外界输入等因素无关,并且周期振子的产生不受内外噪音的影响。即所有四种模体显示出对内外随机扰动的很强的鲁棒性,而这些随机的扰动对生物系统是必不可少的。所以microRNA的调控符合进化的需要。(2)MicroRNA对细胞周期的正调控机制研究。现有认识来看,一般认为MicroRNA是与它的目标基因配对后通过抑制其表达来行使调控的。但在实际细胞过程中,由于特定MicroRNA的直接目标基因在所研究的细胞过程中不一定是关键基因,因而从MicroRNA的直接实验结果就很难通过现有基因调控网络给出其对生物功能影响的分析。我们面临的第一个问题就是给出一种方法来解决这个难道,我们给出了一个有效解决方法。具体来说,我们首先从相关数据库找到特定的MicroRNA的所有目标基因；然后从这些目标基因出发,利用实验或数据分析方法建立起它们与现有基因调控网络中的关键基因之间的联系,即找到一条建立联系的通道；最后,根据对此通道分析和对关键基因的认识来分析该MicroRNA对生物功能的影响。第三章中,我们将这种方法应用于microRNA对细胞周期正调控机制的研究。针对这个问题,我们找到关键基因为CycD,通道是miR369-3-Lox-CycD。由于上述通道形式是多种多样,因而MicroRNA产生功能的机制可能是多种多样的。一般来说,就对于关键基因作用可以分成两类：如果通道经历了奇次抑制作用,MicroRNA最终对关键基因作用应当是负调控,即抑制其表达；如果通道经历了偶次抑制作用,MicroRNA最终又寸关键作用应当是正调控,即上调其表达。我们工作中的通道就经历了两次抑制,因而miR369-3对关键基因CycD起到正调控作用。通过对CycD上调对细胞周期的影响的分析,我们就可以分析出miR369-3对细胞周期功能的影响。由于通道形式的不同和作用的关键基因的不同,可以导致不同的MicroRNA对于生物功能影响存在很大差异,这种差异原则上可以通过上述方式逐个进行分析。(3)MicroRNA对p53网络的调控作用。p53是重要的肿瘤抑制子,它调控着大量目标基因的表达,在抑制肿瘤发生中起着至关重要的作用。有大量的实验表明p53调控着miR-34家族中大量microRNA的表达,这些microRNA又对p53的下游目标基因有着调控作用。我们考虑了在p53网络中加入microRNA的调控后对p53目标基因表达的影响。通过理论分析和数值模拟我们看到,microRNA可以改变这些基因表达的周期的长度,表明microRNA对于p53目标基因的表达具有精细调控作用。最后,对本文的工作进行了总结,并给出了我们今后的研究方向。