造血干细胞红系发育的转录组整合分析

发布时间：2017-12-12 03:33

  本文关键词：造血干细胞红系发育的转录组整合分析

  更多相关文章： 红系发育 造血干细胞 RNA-seq microRNA long non-coding RNA

【摘要】：造血干细胞红系分化是一个精确的调控过程,它从造血干细胞开始,逐渐失去分化潜能并发育为成红细胞群,最终脱核和变形成为有功能的红细胞。近年来,人们对不同类型的转录因子、miRNA以及长非编码RNA参与调控的红系造血机制进行了大量研究工作,然而将不同类型的RNA表达数据进行整合分析红系造血机制的研究并不多见。本研究中,我们通过RNA-seq测序,系统比较了编码基因、miRNA和lncRNA的动态表达变化趋势,分析了三种RNA在表达水平上的异同,并通过计算表达相关性系数,预测潜在的不同类型RNA分子间的调控关系,最终构建出在红系末期发育过程中控制红细胞成熟的调控网络。人脐带血来源的造血干细胞经过体外红系诱导分化,产生了不同发育阶段的终末红系细胞。通过检测这些细胞表面标志物的表达,本研究分选出了4个不同发育阶段的红系细胞。结合分离纯化的造血干细胞与成熟的红细胞样本,共计6个细胞样本,进行高通量组学测序,并从全基因组水平上系统分析鉴定了上述样本中表达的全部编码基因、miRNA和lncRNA。结果显示,表达的编码基因数目远多于非编码RNA,且非编码RNA,尤其是lncRNA的表达量(FPKM)普遍低于30(约97.7%)。大部分lncRNA(约41.4%)只在其中一个分化阶段中表达。这表明lncRNA具有较强的发育阶段特异性,这些lncRNA有望成为鉴定不同发育阶段红系细胞的分子标志物。通过K-means聚类,我们将差异表达编码基因分为四类,并分别进行信号通路富集分析。结果显示,红细胞脱核和变形过程中P53与细胞周期的信号通路受到抑制。另外,大部分趋化因子基因都在造血干细胞中高表达,而且趋化因子信号通路对造血干细胞的自我更新能力的维持和命运决定非常重要。我们通过miRSystem数据库获得了miRNA作用的靶基因。进一步整合miRNA和mRNA的表达量,并通过皮尔森相关系数和P值的筛选,我们鉴定出了四类差异表达基因和miRNA的作用关系。结果显示,hsa-miR-107和hsa-miR-548h-5p在红细胞成熟过程中表达升高,很可能发挥着调控染色质结构基因的表达来促进红细胞成熟、脱核的功能。hsa-miR-532-3p的潜在功能涉及促进DNA转录,在脱核前翻译出大量功能蛋白以维持红细胞短暂的生命。整合lncRNA和mRNA的表达量数据,我们认为lncRNA也参与了重要调控作用,包括从转录水平调控DNA损伤基因在红系分化过程中高表达而在成熟红细胞中低表达、调控造血相关的基因在造血干细胞和成熟红细胞中高表达,以及调控编码细胞周期蛋白的基因在红细胞成熟时表达降低来促进成熟。另外,我们还鉴定了潜在的发挥顺式调控作用的IncRNA及其靶基因,并在K562细胞系中进行了表达量的验证。最后还鉴定出83个新的IncRNA,丰富了IncRNA数据库。通过整合三种类型RNA的表达数据以及潜在的生物功能,本研究构建了红系末期发育过程中调控红细胞成熟的分子网络,该网络既包括mRNA与ncRNA之间的作用,也包括miRNA与IncRNA之间潜在的竞争作用。本研究为进一步探索正常红系造血机制提供了大量可靠数据,一方面有助于人们加强对红细胞发育过程的理解,同时,也为探究红系造血异常导致的恶性血液疾病的分子机制分析提供重要参考。
【学位授予单位】：中国科学院北京基因组研究所
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：Q343

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