基因表達(dá)調(diào)控和基因網(wǎng)絡(luò)

基因表達(dá)調(diào)控

和基因網(wǎng)絡(luò)徐曉洋基因表達(dá)調(diào)控1植物基因網(wǎng)絡(luò)3遺傳基因組學(xué)簡介21.基因表達(dá)調(diào)控基因表達(dá)(geneexpression)--基因轉(zhuǎn)錄及翻譯的過程。rRNA、tRNA的合成屬于基因表達(dá)中心法則(thecentraldogma)：基因表達(dá)的時(shí)空特異性時(shí)間特異性(temporalspecificity)某一基因的表達(dá)嚴(yán)格按特定的時(shí)間順序發(fā)生。空間特異性(spatialspecificity)

在個(gè)體生長全過程，某種基因產(chǎn)物在個(gè)體按不同組織空間順序出現(xiàn)

基因表達(dá)的方式1、組成型表達(dá)（constitutive

gene

expression）

指在個(gè)體發(fā)育的任一階段都能在大多數(shù)細(xì)胞中持續(xù)進(jìn)行的基因表達(dá)。其基因表達(dá)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(dá)誘導(dǎo)（induction）：是指在特定環(huán)境因素刺激下，基因被激活，從而使基因的表達(dá)產(chǎn)物增加。這類基因稱為可誘導(dǎo)基因。乳糖→利用乳糖的三種酶表達(dá)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(dá)產(chǎn)物減少。這類基因稱為可阻遏基因。色氨酸—色氨酸合成酶系

3、協(xié)調(diào)表達(dá)

在一定機(jī)制控制下，功能相關(guān)的一組基因，協(xié)調(diào)一致，共同表達(dá)?；虮磉_(dá)的調(diào)控方式2.遺傳基因組學(xué)簡介遺傳基因組學(xué)概念2001年，Janson

&Nap提出了遺傳基因組學(xué)(geneticalgenomics)的概念：將全基因組中的每個(gè)基因的mRNA表達(dá)量作為數(shù)量性狀，對其進(jìn)行QTL定位分析，即基因表達(dá)的數(shù)量性狀定位分析技術(shù)(expressionQTL,eQTL)，又叫遺傳基因組學(xué)。Jansen&Nap.2001.TrendsGenet.eQTL的實(shí)質(zhì)eQTL以一個(gè)分離群體中不同個(gè)體(基因型)或者是有其它遺傳結(jié)構(gòu)的群體作為樣本，運(yùn)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(gè)體中基因表達(dá)水平的衡量方式，并且作為一個(gè)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。eQTL與表型QTL有許多共通之處，研究表型QTL的方法及要點(diǎn)均適用于eQTL。eQTL就是染色體上的一個(gè)區(qū)域，代表DNA序列變異很可能的遺傳位點(diǎn)，是引起在這個(gè)群體間轉(zhuǎn)錄豐度可檢測的變異的原因。一個(gè)基因可以有一個(gè)或多個(gè)eQTLs。大規(guī)模的mRNAprofiling技術(shù)一次實(shí)驗(yàn)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。Cis-&trans-調(diào)控根據(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)。Drukaetal.2010.PlantBiolJcis-eQTL:指假定控制轉(zhuǎn)錄水平的變異序列是由在這個(gè)基因內(nèi)部或者在這個(gè)基因附近的序列變異所決定的。最經(jīng)典的例子就是這個(gè)DNA序列本身的改變。因此，一個(gè)cis-eQTL可能與目的基因位置重合。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(gè)能夠控制目標(biāo)基因表達(dá)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(dá)。因此，一個(gè)trans-eQTL可能代表控制一個(gè)獨(dú)立的目標(biāo)基因或者一些相關(guān)功能基因表達(dá)的轉(zhuǎn)錄因子的位點(diǎn)。事實(shí)上，目標(biāo)基因的表達(dá)可以由cis-和trans-作用元件結(jié)合控制。trans-acting位點(diǎn)與轉(zhuǎn)錄因子許多報(bào)道中鑒定的trans-acting位點(diǎn)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。實(shí)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(dá)也很少可以用轉(zhuǎn)錄因子序列變異來解釋。果蠅研究表明轉(zhuǎn)錄因子表達(dá)型進(jìn)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。對實(shí)驗(yàn)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(dá)分析，9%編碼信號分子和轉(zhuǎn)錄因子的基因差異表達(dá)，而野生型線蟲轉(zhuǎn)錄變異較小，僅2%。綜上所述，自交系和異交群體均缺少序列變異，限制了轉(zhuǎn)錄因子導(dǎo)致的trans-eQTLs的數(shù)目。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(dá)的影響可能被其他trans-作用因子的補(bǔ)償性作用而掩蓋。eQTL熱點(diǎn)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(dāng)在某個(gè)特定區(qū)域中eQTL簇比預(yù)期的要多許多，那么這個(gè)區(qū)域經(jīng)常被認(rèn)為是一個(gè)eQTL熱點(diǎn)。一個(gè)具有生物學(xué)意義的eQTL熱點(diǎn)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(dá)。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(diǎn)，ERECTA是一個(gè)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(dá)的調(diào)控效應(yīng)可以延展到植物體的表型水平上因果關(guān)系推測通常，eQTL內(nèi)有很多基因，這使得確定引起目標(biāo)基因表達(dá)變化的主效基因變的十分困難。即使某個(gè)eQTL內(nèi)僅有幾個(gè)基因，主效基因也被確定，主效基因通過怎樣的機(jī)制調(diào)節(jié)目標(biāo)基因的表達(dá)仍然不清楚。為了解決這個(gè)問題，TuZhidong研究出兩套算法：I:IdentifyingSignalingandRegulatoryPathsII:ConstructingDeNovoCausalNetworks參考文獻(xiàn)：InferringSignalingandGeneRegulatoryNetworkfromGeneticandGenomicInformationIdentifyingSignalingandRegulatoryPathsOverviewoftheproceduresforcausalgeneidenti?cationandregulatorypathwayThe?owdiagramofthestochasticsearchingalgorithmAnexampleofinferredcausalgeneanditsassociatedregulatorynetwork.3.植物基因網(wǎng)絡(luò)3.1基于轉(zhuǎn)錄組的基因網(wǎng)絡(luò)基因芯片所得到的表達(dá)數(shù)據(jù)不僅可以用于基因表達(dá)時(shí)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(gè)基因的表達(dá)受其他基因的影響，同時(shí)這個(gè)基因有影響其他基因的表達(dá)，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(dá)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，幾乎所有細(xì)胞活動都被基因網(wǎng)絡(luò)所調(diào)控。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(gè)物種或組織的全部基因的表達(dá)關(guān)系進(jìn)行整體的模型分析和研究，在系統(tǒng)的框架下認(rèn)識生命現(xiàn)象，特別是信息流動的規(guī)律?；虮磉_(dá)譜構(gòu)建基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)方法流程圖以擬南芥為例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(shí)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(jìn)了一大步。擬南芥根細(xì)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(dá)型。利用擬南芥根的代表不同發(fā)育時(shí)期的13個(gè)縱切面的轉(zhuǎn)錄本，構(gòu)建了時(shí)空表達(dá)圖。水稻中也有相似實(shí)驗(yàn)，40種不同時(shí)期的細(xì)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(jià)值的信息。網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建步驟首先進(jìn)行表達(dá)數(shù)據(jù)采集，表達(dá)模式分析。大規(guī)模基因表達(dá)譜數(shù)據(jù)分析方法：1，聚類分析(Clusteringanalysis)，最廣泛使用的方法；2，主成份分析(PCA)，為簡化表達(dá)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(jī)器學(xué)習(xí)方法；4，可視化。然后，分析基因相互關(guān)系。一般統(tǒng)計(jì)分析框架有非線性多元預(yù)測和從表達(dá)數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)。最后，建立基因表達(dá)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)模型類型與應(yīng)用基因網(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(Booleannetworkmodel)和連續(xù)網(wǎng)絡(luò)模型(correlationmetricconstruction,CMC)，確定型網(wǎng)絡(luò)模型(D’haeseleer等的線性模型，Weaver