基因调控网络研究进展

基因调控网络是一种连续而复杂多变的动态网络系统,是细胞内各种信号因子之间相互作用关系的整体表现.近些年来,很多物种全基因组测序的完成、高通量实验技术的发展以及高性能分子生物学工具的应用,使得构建一个复杂和相对完整的基因调控网络成为可能,从而使绘制整个活细胞内各种基因表达的调控网络成为当前研究的热点.作为系统生物学的核心领域,构建和分析基因调控网络将有利于我们更系统地剖析细胞的功能,更深刻地洞见生命的本质.综述关于基因调控网络研究的基本原理和方法,为今后进行更深入的研究和探讨打下良好的基础.     

基因转录调控网络模型

摘要：基因转录调控网络是细胞内基因之间的相互作用关系的整体表示，是生命功能在基因表达层面的展现. 最近多种生物信息学（计算分子生物学）工具和高通量实验技术的发展，使得重建复杂的基因调控网络成为可能. 基因调控网络模型试图从DNA微阵列等海量数据中推断基因之间的调控关系，从而揭示复杂的生命现象， 虽远未完成，但从现有实验数据中重建基因调控网络的工作可以促进在分子和遗传水平上系统地剖析细胞的功能，是功能基因组学中的重要研究内容，也是当前生物信息学和系统生物学研究的最具挑战性的前沿课题之一. 简要评述了几类典型数学模型的最新研究进展.     

基于动态贝叶斯网络的多时延基因调控网络构建

分子生物学的主要挑战是如何更好地理解基因间的调控机理。重构调控网络有助于探索生命系统的本质问题。目前,已提出的方法大多数都不考虑基因表达之间的时延,或者假定其时延是一个常量。这为深入理解基因调控的时-空机制带来了困难。现提出一个用连续DBNs构建具有多时延基因调控网络的方法,它可以系统地分析基因之间的调控关系。将其应用于酵母菌的转录调控网络中,结果显示,该方法能更好地估计转录时延,进一步提高了调控网络构建的精度。     

p53基因调控网络研究进展

肿瘤抑制基因p53表达的p53蛋白是一个通用转录因子,与其上、下游功能相关基因组成了一个复杂的基因调控网络,在这个基因网络中p53基因起着关键作用;DNA损伤、缺氧、原癌基因的激活等均能刺激p53基因表达;p53表达升高后,可通过p53-MDM2反馈环路与泛素系统等对p53表达水平进行精确调节;p53通过调控多种下游/靶基因表达完成多种生物学功能,主要包括阻滞细胞周期、促进细胞凋亡、维持基因组稳定性等;认识p53基因调控网络的功能有助于理解p53及其下游/靶基因间的具体作用机制。     

G1期细胞周期相关蛋白对POLD1基因启动子活性的调控

POLD1基因编码DNA聚合酶δ的催化亚基.然而作为最重要的复制蛋白,目前并不清楚其表达的细胞周期调控机制.研究中运用细胞周期同步化及荧光素酶报告基因测定了POLD1启动子在细胞周期不同时相的活性,结果显示启动子活性随着细胞周期进程而变化,在早S期最高.为进一步确定调控POLD1表达的细胞周期相关因子,应用不同质粒转染MCF7细胞,分别筛选得到稳定细胞系.荧光素酶实验表明增强p53或p21的表达,抑制CyclinE或CDK2的表达都能抑制POLD1启动子活性;而抑制CDK4或Cyclin D1的表达对启动子活性没有明显影响.瞬时共转染实验进一步验证Cyclin E或CDK2受到抑制后能够降低POLD1启动子活性.研究初步探讨了POLD1基因表达的细胞周期调控通路,进一步了解细胞周期因子对DNA复制体调控的复杂机制.     

果蝇体极性基因网络的稳定性分析

果蝇的全基因组的序列测定早已完成,但是,对于基因之间是如何相互调控以实现复杂的生物功能,还需要深入的研究.认识并解析复杂的基因调控网络的构成和动力学机制,已成为现代生命科学中的前沿课题之一.在本文中,我们重点研究了果蝇的胚胎发育过程中图式形成的体极性基因网络调控.这一调控是通过相邻细胞中的基因网络的相互影响而达成的.本文主要考察这种基因网络调控对于初始条件的稳定性,以此说明生物胚胎发育对于初始条件的相对稳定性.我们发现该调控系统对于特定位置的干扰有极好的稳定性,对于整个系统的小干扰有良好的稳定性.     

表达相关的转录因子相互作用模式

转录因子通过与基因上游特定序列结合,调控着靶基因在特定的时间和空间以一定的强度表达.不同的转录因子之间通过多种方式相互组合,为这一调控过程提供了更多的可能.为了研究与表达相关的转录因子的调控模式,以GM12878细胞系作为研究对象,基于该细胞系的两种RNA-seq数据,得到了高、低表达基因集合,根据83种转录因子结合的ChIP-seq数据,在两个数据集中分别构建了与基因表达紧密相关的转录因子互作网络,并利用软件Cytoscape对网络进行可视化,从而直观地展现了高低表达基因中转录因子的相互作用模式.同时,利用WGCNA(Weighted Correlation Network Analysis)构建了转录因子的共调控网络,发现高表达基因集合的转录因子调控网络中的一些子网模式与WGCNA构建的共调控模块得到对照.最终在高表达基因转录因子相互作用网络中发现占据重要地位的转录因子BCL11A和特异的组合模式(NFYA-NFYB-SP1),另一种组合模式(BATF-IRF4)则同时存在于高低表达基因的网络中.     

miRNA作用通路研究

后基因组时代的分子生物学研究需要从整体的角度,系统地阐述基因参与的生物调控过程,已有的通过构建基因调控网络的方式所做的系统生物学研究主要关注于蛋白编码基因之间的相互作用。随着近年来非编码RNA（noncoding RNA）,特别是miRNA研究的深入,显示生物体内存在着广泛的基因转录后调控。本论文通过建立综合蛋白质编码基因与miRNA基因相互作用关系的基因调控网络,分析了人类基因组中涉及miRNA的三类作用模式：（1）宿主基因与内含子miRNA共同作用于另一个蛋白编码基因。（2）miRNA簇中的不同miRNA分别作用于存在着相互作用的两个蛋白编码基因。（3）由两个宿主基因与其各自的内含子miRNA形成双向负调控回路。本研究的结果为进一步认识人类miRNA基因的功能特性提供了重要参考,研究所预测的数据为实验验证提供了依据。     

基于矩阵分解技术的系统性红斑狼疮转录调控网络构建

利用双向聚类方法提高系统性红斑狼疮(systemic lupus erythematosus,SLE)基因表达数据特征基因提取的有效性;预测SLE患病过程中转录因子活性以及对靶基因的调控强度变化,构建和挖掘与SLE发病密切相关的转录调控网络及其生物过程.利用FastICA方法进行双向聚类筛选出800个SLE显著基因,结合转录调控信息选取其中表达显著的转录因子及其靶基因,利用NCA预测SLE发病过程中转录因子活性以及对靶基因调控强度的变化,并构建调控网络.构建了由9个转录因子和47个靶基因所组成的调控网络,结合分子生物学分析发现,转录因子在正常样本和患病样本中的活性有明显的变化趋势,其调控的靶基因的变化符合SLE的病理特征.利用矩阵分解技术进行SLE特征基因提取及转录调控网络构建能够发现多个与炎症反应及免疫系统等密切相关的生物过程,对研究SLE致病机理和相应的生物学实验提供了方法和依据.     

基于熵互信息理论的基因调控网络的研究

将熵互信息理论应用到布尔基因调控网络中,并推导出了多个基因决定某个或多个基因的表达值的逻辑规则,根据得到的逻辑规则建立了基因逻辑电路网络,根据该网络和逻辑电路网络分析方法又建立了基因调控网络动态转换图,从而揭示了基因之问的调控关系。