表观遗传基因调控网络的非线性随机动力学研究

发布时间：2020-04-23 02:04

【摘要】：表观遗传的基因调控是指不改变DNA序列的前提下在转录和转录后水平上对基因表达的控制。在生物系统中各种基因表达产物之间互相作用,形成庞大而又极为复杂的基因调控网络。对基因调控网络尤其是核心网络模体的动力学行为和调控机制的研究已经成为当前系统生物学和生物信息学的热点。生物系统中的调控受到许多随机非线性因素的影响,如生命活动中由于参与生化反应的分子个数非常少而引起的明显涨落,细胞所处的微环境中随机扰动因素,基因调控中信号传递的时滞影响等,因此,在基因调控网络的研究中必须充分考虑非线性随机动力学因素的影响。本文基于非线性随机动力学理论以及数值模拟技术,系统研究了体细胞重编程过程中级联前馈型基因调控模型和肺癌细胞表型转变的双负反馈调控模型,取得的成果如下:(1)本文基于描述体细胞重编程过程的具有与门的级联前馈非线性动力学模型,在外源多能因子连续表达条件下,对细胞内各关键基因表达量的数值模拟结果能与体细胞重编程实验中各多能因子激活的延迟效应吻合;通过敏感性分析发现加强转录调控的作用强度有利于加速多能因子的表达从而加快体细胞重编程的进程。然后利用Langevin理论对具有随机噪声的动力学模型进行分析,逐步解析出三个关键基因X、Y、Z表达量的Fano因子、协方差和敏感率的理论公式。通过数值模拟发现:三个关键基因的表达量的内噪声并没有随着激活率(kS2和kY)的增长而产生显著的变化,关键基因Y表达量的内噪声在kX约为0.25时存在最小值;且三个关键基因表达量的内噪声都主要依赖于其自身的激活率和降解率的变化。当上游转录因子取固定的激活率时,稳态的敏感率随着自激活率(或自降解率)的增长先增大,达到峰值后再降低,而且峰值的大小会随着上游转录因子的激活率的增大而减小。总的来说,这些结果表明级联前馈转录调控通路能用于解释外源因子OSKM诱导的重编程过程的延迟效应和不可逆转变行为;在基因调控模体的级联中上游转录因子的内噪声不能传递到下游转录因子的表达中;稳态值对系统参数变化的敏感率是类似于谐振现象的非单调性变化。在体细胞重编程诱导多能性动力学问题中,我们的结论对于内噪声和敏感率的作用或许能提供一些新的认识。(2)本文建立了一个基于miR200抑制性调控作用下的Lin28和Let7双负反馈动力学模型用来描述肺癌肿瘤细胞干性特征表型转变。首先通过Lin28表达量分岔图找到肿瘤细胞可能具有的三种表型(高干性低分化U态、中等干性中等分化P态和低干性高分化D态),通过参数敏感性分析发现Let7表达量增加和系统自降解率的减小有利于提高P态存在的鲁棒性,而Lin28表达量的减小能增加D态与U态表型转变的不可逆性。通过比较,本文找到肿瘤细胞的五种表型分布与肺癌的四种主要临床分型间可能的关联,并通过对各调控因素(如噪声强度、自调控强度、互抑制强度)影响表型概率分布和表型转变的平均首通时间的研究发现:激活Lin28或抑制Let7将促使细胞表型向高干性的U态转变,反之促使细胞表型向低干性的D态转变;噪声强度的增强使得细胞表型转变更频繁并倾向分布概率更大的表型转变:Lin28自激活调控的时间延迟的增加能增强细胞表型的稳定性,也使得细胞倾向于向Lin28低表达的表型状态转变。最后通过对非小细胞肺癌治疗抗性产生过程的模拟初步探讨了治疗抗性产生的可能机制和克服治疗抗性可采取的对策。本文的模型提供了一种从干性特征角度理解肺癌肿瘤异质性及其表型转变的新见解,或许能为肺癌及其他癌症肿瘤的诊断和治疗提供一点新的思路。
【图文】：

前馈,非一致性,环模,一致性

此外由于Ｚ的表达受到Ｘ的直接调控和通过Ｙ的间接调控，两者共同的调控模式可以用“与逡逑门”或“或门”来表示。“与门”指的是只有Ｘ和Ｙ两者对Ｚ同时都产生了激活作用，Ｚ的基因表逡逑达水平才产生变化；“或门”指的是只要Ｘ和Ｙ任意一个对Ｚ产生了激活作用，Ｚ的基因表达水逡逑平就能发生变化。若考虑加入“与门”和“或门”的作用，前馈环模体能有１２种不同的结构，但是逡逑在研宄得最深入的酵母和大肠杆菌中，如图１．３（ａ）所示的一致性前馈环和图１．３（ｃ）所示的非一致逡逑性前馈环这两种结构最为普遍［２３，２４］。逡逑如果图１．３（ａ）的一致性前馈环结构具有“与门”调控模式，那么它就会产生一种“信号敏感性逡逑延迟”，也就是对刺激产生的反应具有延迟效果，但对刺激停止的反应却不具有延迟效果。可以逡逑简单的分析一下这种延迟效果的原因：当Ｘ产生激活信号，它就会快速地启动并绑定在下游Ｙ逡逑和Ｚ基因的启动子上。但是Ｙ的增加需要一个时间累积的过程，由于对Ｚ的调控具有“与门”逡逑的特性，所以在Ｙ的表达水平没有达到Ｚ的启动子要求的阈值前，Ｚ的表达仍然未能被Ｘ和Ｙ逡逑共同调控激活，这样就形成了邋Ｚ的激活时间与Ｘ的激活时间之间产生了延迟效应。但是若Ｘ逡逑的刺激信号消失，Ｘ立刻失活，此时“与门’’决定了邋Ｚ的表达立刻受到Ｘ的失活信号的影响，不逡逑存在信号延迟的效果。通常这种延迟效果强度是由生物系统中Ｙ值参数决定的，例如Ｙ对Ｚ逡逑的刺激阈值越高，延迟越显著，同时这种延迟也能过滤掉系统信号传递中短暂的信号虚假波动，，逡逑只让持续的信号产生作用。在实验中通过大肠杆菌的阿拉伯糖利用系统证实了这种信号敏感延逡逑

重编程,表达阶段,多能,干细胞

胞之间表达量的变化在早期和后期具有很大差别，转录因子Ｅｓｒｒｂ、ＵｔｆＫ邋Ｌｉｎ２８和Ｄｐｐａ２相比逡逑之前普遍认为的重编程标记物Ｆｂｘ0１５、Ｆｇｆ４和Ｏｃｔ４具有更强的预测多能干细胞状态的能力。逡逑如图１．５所示，他指出在重编程早期阶段，这是一个具有随机性的概率过程；而后期的基因表逡逑达则是Ｓｏｘ２处于基因表达上游的确定性的层级表达过程丨５０］。逡逑＾ｏｃｌＭＳｔＫ＂－邋ｐｒｏｔＭＭｌａｔｉｃ邋ｐｌｕｉ？ｅ逦＊＊０？！豢ｒｒｍｎｕｍｃ＊＊－邋ｈｔ＊ｒ？ｒｃｈｉｃ？ｌ邋ｐｈＭｅ逡逑ｏｆ邋ａｃｔｉｖａｔｉｏｎ逦ｏｆ邋＊ｃｔｉｖ？ｔｉｏｎ逡逑Ａ逦ｆ逦产邋ｃ逡逑？’吟７次？逦义：逡逑——＾逡逑Ａ逦＼邋求邋一￣？？春邋＾逡逑ＫＭ４逦？逦／逡逑＊邋栜逡逑图１．５重编程过程的两个可能阶段：早期的随机阶段（Ａ和Ｂ）和后期确定性层级表达阶段（Ｃ）丨５０］？逡逑２０１３年ＭａｃＡｒｔｈｕｒ提出多能状态是一种干细胞群体的统计特征而不是单细胞水平上的定义，逡逑所以可以利用统计力学和信息论的工具来进行分析。多能干细胞特有的松散调控结构对ｍＲＮＡ逡逑或蛋白的表达只产生弱约束效果，这导致了细胞群体的高熵表达模式；但随着分化的进行和染逡逑色质的浓缩，约束强度越来越大以及群体熵逐步降低。所以这个模型可以预测群体熵与其多能逡逑发展潜能正相关丨５１］。逡逑９逡逑
【学位授予单位】：华中师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：Q811.4

【参考文献】