基于生物网络的大鼠再生肝细胞基因表达谱数据分析

发布时间：2018-01-29 11:22

本文关键词： 肝再生基因表达谱聚类基因共表达网络蛋白互作网络　出处：《河南师范大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：哺乳动物肝脏具有极强的再生能力,部分肝切除(partial hepatectomy,PH)后肝脏在一定时期内恢复原来质量和功能的过程,称为肝再生(liver regeneration,LR)。肝功能异常可导致各种肝脏疾病,对患病肝脏进行肝切除或活体肝移植后,患者的预后与肝再生能力密切相关。因此,揭示肝再生的分子调控机制是目前生物学和再生医学领域的研究热点。多种类型的肝脏细胞参与了肝再生,其中最主要的是肝细胞。肝细胞(hepatocyte)为终末分化细胞,正常生理条件下绝大多数处于静息状态,人或啮齿类动物在部分肝切除后,残肝细胞立即启动有丝分裂,进行细胞增殖,在一定时期内肝脏基本恢复到原来的质量和机能。虽然对肝再生的研究已有近百年的历史,但在肝再生中肝细胞增殖的启动、进展和终止的调控机理仍有不少热点问题尚待解决。本文从再生肝的肝细胞基因表达谱数据出发,运用生物网络分析方法,在时间序列基因表达谱的聚类、基因共表达网络分析和蛋白互作网络分析等方面进行系统研究,为挖掘肝再生的调控机理提供理论依据。本文的主要贡献包括:(1)利用大鼠2/3部分肝切除模型,分离出大鼠肝再生过程中不同时间节点的肝细胞,用Rat Genome 230 2.0基因芯片检测部分肝切除和假手术后0、2、6、12、24、30、36、72、120、168h共10个时间点的肝细胞基因表达变化,获得了完整的再生肝的肝细胞基因表达谱数据,NCBI GEO:GSE55434。(2)针对再生肝的肝细胞基因表达谱的时间序列特性蕴含的基因表达相关性、延迟性和反向性等多种调控关系,本文提出一种刻画多种相关性的基因表达谱相似度度量模型,并将其应用到近邻传播聚类算法对肝细胞基因表达谱进行聚类分析,能将功能上相关但表达上不同步的基因聚为一类,更有助于挖掘基因聚类富集的生物通路。(3)肝再生是一种条件特异性的生物学过程,为挖掘与肝再生密切相关的基因模块,本文利用正常肝细胞和再生肝细胞的基因表达谱数据,分别构建它们的基因共表达网络,对两种条件下的肝细胞基因共表达网络进行模块划分,从拓扑结构和生物信息两方面进行模块比对分析,识别出12个与肝再生相关的基因模块。通过生物通路富集分析,发现上调的MCM5可能促进肝细胞增殖,BCL3通过激活/抑制NF-κB信号通路在肝再生中起重要作用,MAPK9在肝细胞增殖阶段通过抑制p38 MAPK活性在DNA复制中扮演重要角色。另外,发现IL6R-STAT信号通路、Adipocytokine信号通路、Notch通路、FGFR1信号通路在肝再生中都扮演关键角色。(4)建立蛋白质相互作用网络,揭示关键蛋白之间的相互作用关系,是组学数据分析的一个有力工具。本文挑选在肝再生中发生显著表达上调和表达下调的基因,搜索它们的编码蛋白,利用Pathway Studio软件构建再生肝的肝细胞蛋白质相互作用网络,融合复杂网络的度中心性、介数中心性和最短路径长度等统计属性,识别影响网络性能的hub节点作为候选的肝再生关键蛋白,精确地识别出TNF、TGFβ1、EGF、IL-1β、IL-10、MYC、JUN、FOS等与肝再生密切相关的关键蛋白,证明了关键节点识别方法的有效性。同时还识别出APP、CD8A、CXCL12、CDH1、CD40等几个可能与肝再生相关的新蛋白及其子网络,为肝再生的分子机制研究提供新的参考。细胞或生物体的基因/蛋白之间的相互作用构成了一个复杂的生物网络,单个基因或蛋白的异常表达往往不能影响整个生理活动的正常运行,生理活动往往受生物通路或基因模块的协同调控。利用生物网络分析基因组学数据具有天然的优势。本文用生物网络方法从系统水平研究肝再生中肝细胞的网络结构,识别调控肝再生的关键基因模块、关键基因和信号通路,发现了比一般生物信息学方法更丰富的信息,为肝再生的调控机理研究提供新的理论依据。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：河南师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：Q78;Q485

【参考文献】