人类必需基因生物特征的多组学整合解析

发布时间：2020-03-18 22:12

【摘要】：必需基因是生物基因组中必不可少的一组基因,其功能涉及诸多关键生物进程。各物种必需基因的鉴定和功能研究不仅对于深化生命本质的认识具有重要意义,而且在合成生物学等方面具有重要的应用价值。近年来,随着实验科学的进步,人类必需基因(Human essential genes,HEG)得到了系统地揭示,引发了一系列相关的生物和医学问题,如基因的必需性的本质是什么?其所依赖的基因组结构基础是什么?必需基因在不同物种中进化和人类发育中的发展变化是怎样的?必需基因对于人类疾病,尤其是癌症研究有怎样的提示?等等。事实上,基因的必需性是一个异常复杂的问题,必须站在系统生物学的角度,通过整合基因组学、表观遗传学、蛋白质组学等各类组学数据加以综合考察。本研究基于最新的多组学数据,系统考察HEG的遗传和调控特性,从基因组结构、表观遗传修饰、蛋白质网络三个层面阐明必需基因的主要特征。结果表明:从染色质结构上看,必需基因更倾向处于染色质结构支架的位置,因此对于整个基因组和染色质结构起关键的作用;在表观遗传修饰方面,必需基因附近的染色质更加活跃,可以结合更多的活性组蛋白和转录因子,对基因表达的调控作用明显,对细胞中功能的实现和生命的延续起到重要作用;在蛋白质相互作用网络上看,必需基因处于蛋白质相互作用网络的核心枢纽,对于整个蛋白质网络影响最大,对细胞生命的功能表达起到不可或缺的作用。通过不同物种间必需基因的比较分析,可以阐明必需基因是如何在历史的演化中不断变化和行使功能的。本研究发现,基因的必需性不是一个基因的固定属性,而是在进化中不断变化的,不过,通过多物种进化分析发现,无论基因如何变化,必需基因都会行使相似的核心功能。进一步通过对早期胚胎发育不同阶段的比较分析,揭示了必需基因在发育过程中的动态表达特征,发现其动态变化与早期胚胎发育中不同阶段的表观遗传调控紧密相关;必需基因的表达伴随着发育的进行而发生明显的变化,而且可以用来区分发育阶段中产生不同命运的细胞类型。为了探索必需基因与肿瘤等的关系,本研究系统收集、评估了针对TCGA癌症数据的生物信息资源。根据TCGA数据和HEG的关联分析发现,HEG可以显著区分肿瘤组织和正常组织,可以为筛选潜在的肿瘤标志物等提供重要线索。最后,为了方便相关研究人员对HEG的分析,开发了一个在线计算分析软件——人类必需基因分析平台(HEGIAP)(http://sysomics.com/HEGIAP/)。该平台集成了丰富的相关数据资源和分析工具,提供单基因查找分析、多基因查找分析以及比较分析等服务,可以支撑对于基因必需性的系统、多维探索。
【图文】：

质层面都是生命体不可或缺的基因。这三个层面互相印证、结果一致，从系统而全面的角度证明了必需基因为什么必需的问题。第二章从另外一个维度，时间的维度进行深入分析。考察 HEG 在进化的历史中扮演的角色以及在早期胚胎发育中的表达是如何动态变化的。在这一章中说明了基因必需性从进化的尺度中不是固定属性，但是只要属于必需基因，那么都会行使关键功能，可以认为必需基因是属于不同物种中负责类似关键功能的一类基因。而在人类早期胚胎发育中的分析表明必需基因的不同激活时期与胚胎发育的不同分化时期一致，而且是由于胚胎发育过程中各种表观遗传修饰的影响产生了必需基因的激活表达。第三章研究 HEG 与疾病的关系。通过对人类癌症最重要数据库 TCGA 的一个全面分析，收录并整理调查了目前所有的在线网络分析资源，在此基础上，将 HEG 与人类疾病，尤其是癌症建立联系，考察 HEG 的可能医学应用。本研究认为 HEG 可以作为人类癌症的标志物并可以依此进行相关候选药物的筛查。这些结果可能会影响新时代的癌症治疗。最后将本研究所有的内容融合，开发了一个界面简洁友好的在线计算分析软件 HEGIAP，可以在线对 HEG 进行查找和分析。第四章，结论和展望，总结全文，对本研究工作进行相关的讨论和梳理，以及一些工作展望。

军事科学院博士学位论文包括转录、翻译和 DNA 复制，但是一些重要的功能和其他未深入了解。因此，Blomen 等人、Wang 等人和 Hart 等人的核心必需基因集合，这为研究人类必需基因的作用、基因和组织背景以及必需基因如何演化等多个领域的深入分析，Wang 等人获得的 HEG 和 Blomen 等人获得的 HEG 比较，，Blomen 等人获得的 HEG 和 Hart 等人获得的 HEG 比较，Wang 等人获得的 HEG 和 Hart 等人获得的 HEG 比较发每个比较中都有超过 60%的必需基因是一致的（图 1.1）。题组通过高质量的实验筛选得到的 HEG 集合高度相似，证的可靠性，为进一步的全面深入分析 HEG 奠定了基础。
【学位授予单位】：军事科学院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：R394

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 贾坤;;崇尚“简朴”[J];思想政治工作研究;2011年01期

2 窦运涛;;基于必需基因数据库的微生物必需基因的分析[J];天津理工大学学报;2006年02期

3 邱东茹;;细菌必需基因、最小基因组和合成细胞[J];生物工程学报;2012年05期

4 李玉双;魏东;吕艳芬;;基于碱基组成和分布的DNA序列特征提取方法及应用[J];燕山大学学报;2018年01期

5 叶远浓;郭锋彪;;微生物必需基因的理论研究现状[J];遗传;2012年04期

6 李杨;陈涛;赵学明;;微生物基因组简化的研究进展[J];生命科学;2011年09期

7 吴益民,赵寿元;最小基因组研究进展[J];生命科学;2001年01期

8 沈露露;杜敏;林兴凤;蔡婷;王大勇;;嗅觉神经元AWA功能必需基因以胰岛素信号依赖的方式调控秀丽线虫的衰老(英文)[J];Neuroscience Bulletin;2010年02期

9 侯慧;李春;;生物制造过程中的微生物生长与调控[J];化工进展;2016年06期

10 谭泽明,李艺,罗敏华;HCMV增殖机制研究进展[J];生命科学;2005年01期

相关会议论文 前4条

1 张春霆;;细菌必需基因研究与最小基因组[A];第五届全国生物信息学与系统生物学学术大会论文集[C];2012年

2 黄学勇;高菊芳;朱骏;关跃峰;杨仲南;;CDKG1是参与拟南芥小孢子初生外壁和花粉壁形成的必需基因[A];上海市植物生理学会成立三十周年庆祝活动暨第三届上海市植物生理学青年学术研讨会论文集[C];2009年

3 孙逸飞;周茜;徐桂芝;;基于CGR的细菌必需基因和非必需基因Hurst指数特征对比分析[A];天津市生物医学工程学会第三十四届学术年会论文集[C];2014年

4 步洪强;杨延辉;肖春玲;;结核分枝杆菌MEP途径相关酶研究进展[A];第十二届全国抗生素学术会议论文集[C];2013年

相关博士学位论文 前7条

1 张卓;人类必需基因生物特征的多组学整合解析[D];军事科学院;2018年

2 叶远浓;细菌必需基因团簇模型及最小基因集构建[D];电子科技大学;2015年

3 罗昊;必需基因与复制起始点数据库的建立及分析[D];天津大学;2016年

4 林岩;微生物必需基因数据的分析[D];天津大学;2010年

5 徐广宇;基于生物信息学的结核分枝杆菌分子流行病学调查及诊断靶标簇系统平台的建立[D];吉林大学;2013年

6 魏闻;细菌进化特征分析及其在基因预测的应用研究[D];电子科技大学;2014年

7 王海涛;粟酒裂殖酵母必需基因省略抑制子的系统筛选和机制研究[D];北京协和医学院;2016年

相关硕士学位论文 前10条

1 华红丽;必需基因理论预测的多种算法研究[D];电子科技大学;2018年

2 张发展;细菌必需基因团簇模型的研究与特征分析[D];电子科技大学;2017年

3 窦运涛;原核生物基因识别程序ZCURVE 1.02的研发和微生物必需基因的分析[D];天津大学;2005年

4 王宝锦;细菌必需基因特征分析及其分类预测研究[D];重庆大学;2016年

5 林丹;多种微生物功能基因的预测和分析[D];电子科技大学;2014年

6 宁绿文;细菌基因组内基因构成和核酸组成的比较分析及理论预测[D];电子科技大学;2012年

7 李赫;基于人工神经网络的必需基因预测研究[D];吉林大学;2008年

8 刘拓;原核生物基因长度与功能关系[D];内蒙古大学;2015年

9 孙逸飞;基于混沌游戏表示的细菌必需基因与非必需基因的特征对比分析[D];河北工业大学;2015年

10 侯慧;大肠杆菌基因密码锁的设计[D];北京理工大学;2016年

本文编号：2589259