基因表達調(diào)控和基因網(wǎng)絡(luò)PPT精選文檔

1、logo.1基因表達調(diào)控基因表達調(diào)控和基因網(wǎng)絡(luò)和基因網(wǎng)絡(luò)徐曉洋徐曉洋.2基因表達調(diào)控1植物基因網(wǎng)絡(luò)3遺傳基因組學(xué)簡介2.31. 基因表達調(diào)控基因表達調(diào)控.4dnarna蛋白質(zhì)復(fù)制轉(zhuǎn)錄翻譯逆轉(zhuǎn)錄rna復(fù)制基因表達基因表達(gene expression)-基因轉(zhuǎn)錄及翻譯的過程。基因轉(zhuǎn)錄及翻譯的過程。rrna、trna的合成屬于基因表達的合成屬于基因表達中心法則中心法則(the central dogma)：.5基因表達的時空特異性基因表達的時空特異性v 時間特異性時間特異性(temporal specificity) 某一基因的表達嚴格按特定的時間順序發(fā)生。某一基因的表達嚴格按特定的時間順序發(fā)生

2、。v 空間特異性空間特異性(spatial specificity) 在個體生長全過程，某種基因產(chǎn)物在個體按不同組織空在個體生長全過程，某種基因產(chǎn)物在個體按不同組織空間順序出現(xiàn)間順序出現(xiàn) .6基因表達的方式基因表達的方式1、組成型表達（、組成型表達（constitutive gene expression） 指在個體發(fā)育的任一階段都能在大多數(shù)細胞中持續(xù)進行的基因表達。其基因表達產(chǎn)物通常是對生命過程必需的或必不可少的，且較少受環(huán)境因素的影響。這類基因通常被稱為持家基因（housekeeping gene）。2、誘導(dǎo)和阻遏表達、誘導(dǎo)和阻遏表達 誘導(dǎo)（誘導(dǎo)（induction）：）：是指在特定環(huán)境因

3、素刺激下，基因被激活，從而使基因的表達產(chǎn)物增加。這類基因稱為可誘導(dǎo)基因。 乳糖乳糖 利用乳糖的三種酶表達利用乳糖的三種酶表達 阻遏（阻遏（repression）：）：是指在特定環(huán)境因素刺激下，基因被抑制，從而使基因的表達產(chǎn)物減少。這類基因稱為可阻遏基因。 色氨酸色氨酸 色氨酸合成酶系色氨酸合成酶系 3、協(xié)調(diào)表達、協(xié)調(diào)表達 在一定機制控制下，功能相關(guān)的一組基因，協(xié)調(diào)一致，共同表達。.7基因表達的調(diào)控方式基因表達的調(diào)控方式.82. 遺傳基因組學(xué)簡介遺傳基因組學(xué)簡介.9遺傳基因組學(xué)概念v 2001年，janson & nap提出了遺傳基因組學(xué)(genetical genomics)的概念：將全基因組

4、中的每個基因的mrna表達量作為數(shù)量性狀，對其進行qtl定位分析，即基因表達的數(shù)量性狀定位分析技術(shù)(expression qtl, eqtl)，又叫遺傳基因組學(xué)。vjansen & nap. 2001. trends genet.10eqtl的實質(zhì)v eqtl以一個分離群體中不同個體(基因型)或者是有其它遺傳結(jié)構(gòu)的群體作為樣本，運用qtl分析方法分析特定基因轉(zhuǎn)錄豐度差異而得到的一些遺傳區(qū)域，轉(zhuǎn)錄豐度用于作為個體中基因表達水平的衡量方式，并且作為一個性狀來分析(etrait),就像其它的表型性狀(ptrait)，例如植株高度和產(chǎn)量一樣。v eqtl與表型qtl有許多共通之處，研究表型qtl的方法

5、及要點均適用于eqtl。v eqtl就是染色體上的一個區(qū)域，代表dna序列變異很可能的遺傳位點，是引起在這個群體間轉(zhuǎn)錄豐度可檢測的變異的原因。v 一個基因可以有一個或多個eqtls。大規(guī)模的mrna profiling技術(shù)一次實驗可以檢測到成千上萬的eqtls，拓展了多種物種中基因組范圍eqtl的定位。 .11cis- & trans- 調(diào)控v根據(jù)eqtl定位到的區(qū)間與轉(zhuǎn)錄物在染色體上的相對位置，將eqtl分為順式eqtl(cis-eqtl)和反式eqtl(trans-eqtl)。druka et al. 2010. plant biol j.12v cis-eqtl:指假定控制轉(zhuǎn)錄水平的變異

6、序列是由在這個基因內(nèi)部或者在這個基因附近的序列變異所決定的。最經(jīng)典的例子就是這個dna序列本身的改變。因此，一個cis-eqtl可能與目的基因位置重合。 v trans-eqtl:檢測到的eqtl與目的基因位置不重合，說明檢測到的eqtl代表一個能夠控制目標基因表達的基因座的位置。trans-eqtl的基因假定編碼的是反式作用因子，比如與其它基因順式元件結(jié)合的關(guān)鍵蛋白，從而控制他們的mrna表達。因此，一個trans-eqtl可能代表控制一個獨立的目標基因或者一些相關(guān)功能基因表達的轉(zhuǎn)錄因子的位點。 v 事實上，目標基因的表達可以由cis-和trans-作用元件結(jié)合控制。.13trans-act

7、ing位點與轉(zhuǎn)錄因子v 許多報道中鑒定的trans-acting位點并不編碼轉(zhuǎn)錄因子。酵母中鑒定的eqtls經(jīng)常是產(chǎn)生于改變信號通路或代謝途徑的遺傳變異。v 實際上，轉(zhuǎn)錄因子也只是偶然性的定位于trans-eqtls，而且差異基因表達也很少可以用轉(zhuǎn)錄因子序列變異來解釋。v 果蠅研究表明轉(zhuǎn)錄因子表達型進化上非常保守，而且啟動子區(qū)比其他基因組區(qū)域多態(tài)性相對要少，說明它們與trans-acting變異沒有必然的關(guān)系。v 對實驗室培養(yǎng)的280代突變富集的秀麗隱桿狀線蟲全基因組基因表達分析，9%編碼信號分子和轉(zhuǎn)錄因子的基因差異表達，而野生型線蟲轉(zhuǎn)錄變異較小，僅2%。v 綜上所述，自交系和異交群體均缺少序

8、列變異，限制了轉(zhuǎn)錄因子導(dǎo)致的trans-eqtls的數(shù)目。v 由于轉(zhuǎn)錄因子通常是大的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的一部分，trans-eqtl對基因表達的影響可能被其他trans-作用因子的補償性作用而掩蓋。.14eqtl熱點熱點v 幾乎所有的研究數(shù)據(jù)都表明eqtl在遺傳圖譜上不是均勻分布的。當在某個特定區(qū)域中eqtl簇比預(yù)期的要多許多，那么這個區(qū)域經(jīng)常被認為是一個eqtl熱點。v 一個具有生物學(xué)意義的eqtl熱點則是具有高密度trans-eqtl的基因組區(qū)域，可以用主調(diào)控子來解釋，比如，轉(zhuǎn)錄因子，可以影響許多下游基因的表達。v 例：在擬南芥中通過遺傳基因組學(xué)研究許多基因定位于erecta位點， erecta是一

9、個對許多形態(tài)和發(fā)育性狀都有調(diào)控作用的基因。這一發(fā)現(xiàn)就證明了主調(diào)控子對于基因表達的調(diào)控效應(yīng)可以延展到植物體的表型水平上.15因果關(guān)系推測因果關(guān)系推測v 通常，eqtl內(nèi)有很多基因，這使得確定引起目標基因表達變化的主效基因變的十分困難。即使某個eqtl內(nèi)僅有幾個基因，主效基因也被確定，主效基因通過怎樣的機制調(diào)節(jié)目標基因的表達仍然不清楚。v 為了解決這個問題， tu zhidong 研究出兩套算法： i: identifying signaling and regulatory paths ii: constructing de novo causal networks 參考文獻：inferring

10、 signaling and gene regulatory network from genetic and genomic information.16identifying signaling and regulatory pathsoverview of the procedures for causal gene identification and regulatory pathway.17the flow diagram of the stochastic searching algorithm.18an example of inferred causal gene and i

11、ts associated regulatory network.193. 植物基因網(wǎng)絡(luò)植物基因網(wǎng)絡(luò).203.1 基于轉(zhuǎn)錄組的基因網(wǎng)絡(luò)基于轉(zhuǎn)錄組的基因網(wǎng)絡(luò)v 基因芯片所得到的表達數(shù)據(jù)不僅可以用于基因表達時空規(guī)律分析，研究及功能，而且還可以用于分析基因間相互關(guān)系，研究基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。一個基因的表達受其他基因的影響，同時這個基因有影響其他基因的表達，這種相互影響互相制約的關(guān)系構(gòu)成了復(fù)雜的基因表達調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，幾乎所有細胞活動都被基因網(wǎng)絡(luò)所調(diào)控。v 基因網(wǎng)絡(luò)研究的意義在于通過建立基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)模型對某一個物種或組織的全部基因的表達關(guān)系進行整體的模型分析和研究，在系統(tǒng)的框架下認識生命現(xiàn)象，特別是信息流

12、動的規(guī)律。.21基因表達譜構(gòu)建基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)方法流程圖基因表達譜構(gòu)建基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)方法流程圖.22以擬南芥為例以擬南芥為例v 一些研究檢測了擬南芥幾十種不同條件下，不同組織和發(fā)育時期的轉(zhuǎn)錄組。這些研究使植物基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建向前邁進了一大步。v 擬南芥根細胞特異轉(zhuǎn)錄本和莖尖分生組織轉(zhuǎn)錄本為研究對象，開始揭示基因表達型。v 利用擬南芥根的代表不同發(fā)育時期的13個縱切面的轉(zhuǎn)錄本，構(gòu)建了時空表達圖。水稻中也有相似實驗，40種不同時期的細胞構(gòu)建轉(zhuǎn)錄本地圖，為組織水平特殊網(wǎng)絡(luò)調(diào)控構(gòu)建提供了有價值的信息。.23網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建步驟網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建步驟v 首先進行表達數(shù)據(jù)采集，表達模式分析。大規(guī)?；虮磉_譜數(shù)據(jù)分析方法： 1，聚

13、類分析(clustering analysis)，最廣泛使用的方法； 2，主成份分析(pca)，為簡化表達譜中的大量的變量簡化研究，用較少的綜合性變量代替原來眾多的相關(guān)性變量； 3，基于知識挖掘的機器學(xué)習(xí)方法； 4，可視化。v 然后，分析基因相互關(guān)系。一般統(tǒng)計分析框架有非線性多元預(yù)測和從表達數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)。v 最后，建立基因表達調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。.24網(wǎng)絡(luò)模型類型與應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)模型類型與應(yīng)用v 基因網(wǎng)絡(luò)模型很多，也有不同的分類方法： 離散型網(wǎng)絡(luò)模型(boolean network model)和連續(xù)網(wǎng)絡(luò)模型(correlation metric construction, cmc)， 確定型網(wǎng)絡(luò)模型(dha

14、eseleer 等的線性模型，weaver等的非線性模型)和隨機網(wǎng)絡(luò)模型(probabilistic boolean network model, pbn模型)， 定量網(wǎng)絡(luò)模型和定性網(wǎng)絡(luò)模型等。v 幾種典型的模型：布爾網(wǎng)絡(luò)模型、線性組合模型和加權(quán)矩陣模型、互信息關(guān)聯(lián)模型、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型、微分方程模型。v 基因網(wǎng)絡(luò)實際應(yīng)用： 發(fā)現(xiàn)新基因，尋找和發(fā)掘基因新功能； 認識和研究復(fù)雜的生命現(xiàn)象； 識別治病因子和病變基因； 基因診斷和基因治療。.25貝葉斯網(wǎng)絡(luò)分析(bayesian network)v 一類結(jié)構(gòu)和參數(shù)未定的有向無圈圖(directed acyclic graphs)，由節(jié)點和連接節(jié)點的有向

15、邊構(gòu)成。節(jié)點隨機變量可以是任何不確定對象的數(shù)學(xué)抽象；節(jié)點間邊(由父節(jié)點指向其后代節(jié)點)反應(yīng)了兩代間的因果關(guān)系，關(guān)系的強弱用條件概率分布進行量化。對于無父節(jié)點的起始節(jié)點，則用先驗概率分布表達信息。v 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)基于貝葉斯定理，通過數(shù)據(jù)去研究網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)。這里，不同的研究方法反應(yīng)了算法的智能化水平，是研究的關(guān)鍵點所在，一旦得到最佳的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，就可以用之去推斷許多感興趣的問題。.26v許多此類網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建不僅需要基因的表達信息，還需要tfs和cis調(diào)控基本模式的信息來推測基因之間的因果關(guān)系。v鑒于植物中關(guān)于tfs和cis調(diào)控基本模式的信息有限，適用于人類基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的方法，在植物中很難得到有

16、意義的結(jié)果。v盡管如此，模式植物擬南芥中也建立了一些網(wǎng)絡(luò)。ma(2007)應(yīng)用基于部分相關(guān)的改良繪圖的高斯模型,建立網(wǎng)絡(luò)圖，成功的推論出與代謝功能和脅迫應(yīng)答相關(guān)的子網(wǎng)絡(luò)，具有應(yīng)用于預(yù)測新基因功能的潛力。.27myc-特異子網(wǎng)絡(luò)特異子網(wǎng)絡(luò)(human b cells)din4-子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)(擬南芥擬南芥)basso et al. 2005. nat genet.ma et al. 2007. genome res.283.2 genome-scale 基因網(wǎng)絡(luò)基因網(wǎng)絡(luò)v 近年來，研究獲得了大量的植物基因組范圍的數(shù)據(jù)中，隨之獲得的成果讓人印象深刻。運用轉(zhuǎn)錄組、chip、蛋白組和代謝組數(shù)據(jù)重

17、建調(diào)控網(wǎng)絡(luò)和生物途徑，隨后用于推斷基因、蛋白和代謝物間的功能相互關(guān)系。v 然而，仍需要建立精密的系統(tǒng)研究方法,用于整合各個“組學(xué)”數(shù)據(jù)，將多種多樣的大量數(shù)據(jù)整合到條理清晰的模型中，增進我們對生物進程的分子網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)了解。.29蛋白組和代謝組蛋白組和代謝組v 蛋白組學(xué)proteomic：使用mass spectometry (ms)方法，profile蛋白組、磷酸蛋白組或質(zhì)膜蛋白組，v 代謝組學(xué)metabolomic ：使用ms或核磁共振來profile全植株、組織、細胞或器官的代謝物。v 蛋白組學(xué)和代謝組學(xué)結(jié)合轉(zhuǎn)錄組研究，顯示擬南芥中蛋白富集是在轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控的。v 與轉(zhuǎn)錄網(wǎng)絡(luò)相似，蛋白和代謝網(wǎng)絡(luò)

18、也可以用邊和節(jié)點來構(gòu)建。蛋白網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點表示蛋白，邊表示蛋白間互作或者功能修飾；代謝網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點代表代謝物，邊代表酶反應(yīng)或生化。v 代謝組展示生化網(wǎng)絡(luò)，不能像轉(zhuǎn)錄組網(wǎng)絡(luò)一樣通過相關(guān)性分析整合入未知的代謝物。替代方案是結(jié)合qtl和代謝物profiling重頭構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)模型。.30chipv 染色質(zhì)免疫共沉淀芯片(chromatin immunoprecipitation coupled with hybridization to whole-genome arrays, chip-chip) 或測序(chipseq)檢測轉(zhuǎn)錄因子是否直接作用于其調(diào)控基因。v 不同轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點差異極大從一百到上千

19、不等。v 結(jié)合轉(zhuǎn)錄組和chip-chip實驗數(shù)據(jù)，試圖將轉(zhuǎn)錄反應(yīng)基因分類為高置信的直接靶標基因系和包括非直接靶標的其他基因系。v 盡管chip-chip技術(shù)已經(jīng)有十幾年歷史，但植物中轉(zhuǎn)錄因子的相關(guān)報道很少。.31moreno-risueno et al. 2010. curr opin plant biol.genome-scale的的基因網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建流程：基因網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建流程：guilt by association：相同共表達簇的基因假設(shè)受相同或相似轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控，歸屬于相同或相似轉(zhuǎn)錄模塊或亞網(wǎng)絡(luò)。.32genome-scale的基因網(wǎng)絡(luò)實例的基因網(wǎng)絡(luò)實例lee insuk, et al. 2010