基因表達調(diào)控和基因網(wǎng)絡

基因表達調(diào)控

和基因網(wǎng)絡徐曉洋基因表達調(diào)控1植物基因網(wǎng)絡3遺傳基因組學簡介21.基因表達調(diào)控基因表達(geneexpression)--基因轉錄及翻譯的過程。rRNA、tRNA的合成屬于基因表達中心法則(thecentraldogma)：基因表達的時空特異性時間特異性(temporalspecificity)某一基因的表達嚴格按特定的時間順序發(fā)生?？臻g特異性(spatialspecificity)

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

基因表達的方式1、組成型表達（constitutive

gene

expression）

指在個體發(fā)育的任一階段都能在大多數(shù)細胞中持續(xù)進行的基因表達。其基因表達產(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、誘導和阻遏表達誘導（induction）：是指在特定環(huán)境因素刺激下，基因被激活，從而使基因的表達產(chǎn)物增加。這類基因稱為可誘導基因。乳糖→利用乳糖的三種酶表達阻遏（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

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

&Nap提出了遺傳基因組學(geneticalgenomics)的概念：將全基因組中的每個基因的mRNA表達量作為數(shù)量性狀，對其進行QTL定位分析，即基因表達的數(shù)量性狀定位分析技術(expressionQTL,eQTL)，又叫遺傳基因組學。Jansen&Nap.2001.TrendsGenet.eQTL的實質eQTL以一個分離群體中不同個體(基因型)或者是有其它遺傳結構的群體作為樣本，運用QTL分析方法分析特定基因轉錄豐度差異而得到的一些遺傳區(qū)域，轉錄豐度用于作為個體中基因表達水平的衡量方式，并且作為一個性狀來分析(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的方法及要點均適用于eQTL。eQTL就是染色體上的一個區(qū)域，代表DNA序列變異很可能的遺傳位點，是引起在這個群體間轉錄豐度可檢測的變異的原因。一個基因可以有一個或多個eQTLs。大規(guī)模的mRNAprofiling技術一次實驗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:指假定控制轉錄水平的變異序列是由在這個基因內(nèi)部或者在這個基因附近的序列變異所決定的。最經(jīng)典的例子就是這個DNA序列本身的改變。因此，一個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代表一個能夠控制目標基因表達的基因座的位置。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合的關鍵蛋白，從而控制他們的mRNA表達。因此，一個trans-eQTL可能代表控制一個獨立的目標基因或者一些相關功能基因表達的轉錄因子的位點。事實上，目標基因的表達可以由cis-和trans-作用元件結合控制。trans-acting位點與轉錄因子許多報道中鑒定的trans-acting位點并不編碼轉錄因子。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。實際上，轉錄因子也只是"偶然性"的定位于trans-eQTLs，而且差異基因表達也很少可以用轉錄因子序列變異來解釋。果蠅研究表明轉錄因子表達型進化上非常保守，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變異沒有必然的關系。對實驗室培養(yǎng)的280代突變富集的秀麗隱桿狀線蟲全基因組基因表達分析，9%編碼信號分子和轉錄因子的基因差異表達，而野生型線蟲轉錄變異較小，僅2%。綜上所述，自交系和異交群體均缺少序列變異，限制了轉錄因子導致的trans-eQTLs的數(shù)目。由于轉錄因子通常是大的調(diào)控網(wǎng)絡的一部分，trans-eQTL對基因表達的影響可能被其他trans-作用因子的補償性作用而掩蓋。eQTL熱點幾乎所有的研究數(shù)據(jù)都表明eQTL在遺傳圖譜上不是均勻分布的。當在某個特定區(qū)域中eQTL簇比預期的要多許多，那么這個區(qū)域經(jīng)常被認為是一個eQTL熱點。一個具有生物學意義的eQTL熱點則是具有高密度trans-eQTL的基因組區(qū)域，可以用主調(diào)控子來解釋，比如，轉錄因子，可以影響許多下游基因的表達。例：在擬南芥中通過遺傳基因組學研究許多基因定位于ERECTA位點，ERECTA是一個對許多形態(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)控子對于基因表達的調(diào)控效應可以延展到植物體的表型水平上因果關系推測通常，eQTL內(nèi)有很多基因，這使得確定引起目標基因表達變化的主效基因變的十分困難。即使某個eQTL內(nèi)僅有幾個基因，主效基因也被確定，主效基因通過怎樣的機制調(diào)節(jié)目標基因的表達仍然不清楚。為了解決這個問題，TuZhidong研究出兩套算法：I:IdentifyingSignalingandRegulatoryPathsII:ConstructingDeNovoCausalNetworks參考文獻：InferringSignalingandGeneRegulatoryNetworkfromGeneticandGenomicInformationIdentifyingSignalingandRegulatoryPathsOverviewoftheproceduresforcausalgeneidenti?cationandregulatorypathwayThe?owdiagramofthestochasticsearchingalgorithmAnexampleofinferredcausalgeneanditsassociatedregulatorynetwork.3.植物基因網(wǎng)絡3.1基于轉錄組的基因網(wǎng)絡基因芯片所得到的表達數(shù)據(jù)不僅可以用于基因表達時空規(guī)律分析，研究及功能，而且還可以用于分析基因間相互關系，研究基因轉錄調(diào)控網(wǎng)絡。一個基因的表達受其他基因的影響，同時這個基因有影響其他基因的表達，這種相互影響互相制約的關系構成了復雜的基因表達調(diào)控網(wǎng)絡，幾乎所有細胞活動都被基因網(wǎng)絡所調(diào)控。基因網(wǎng)絡研究的意義在于通過建立基因轉錄調(diào)控網(wǎng)絡模型對某一個物種或組織的全部基因的表達關系進行整體的模型分析和研究，在系統(tǒng)的框架下認識生命現(xiàn)象，特別是信息流動的規(guī)律?；虮磉_譜構建基因調(diào)控網(wǎng)絡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)育時期的轉錄組。這些研究使植物基因調(diào)控網(wǎng)絡構建向前邁進了一大步。擬南芥根細胞特異轉錄本和莖尖分生組織轉錄本為研究對象，開始揭示基因表達型。利用擬南芥根的代表不同發(fā)育時期的13個縱切面的轉錄本，構建了時空表達圖。水稻中也有相似實驗，40種不同時期的細胞構建轉錄本地圖，為組織水平特殊網(wǎng)絡調(diào)控構建提供了有價值的信息。網(wǎng)絡構建步驟首先進行表達數(shù)據(jù)采集，表達模式分析。大規(guī)模基因表達譜數(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性變量；3，基于知識挖掘的機器學習方法；4，可視化。然后，分析基因相互關系。一般統(tǒng)計分析框架有非線性多元預測和從表達數(shù)據(jù)學習網(wǎng)絡。最后，建立基因表達調(diào)控網(wǎng)絡。網(wǎng)絡模型類型與應用基因網(wǎng)絡模型很多，也有不同的分類方法：離散型網(wǎng)絡模型(Booleannetworkmodel)和連續(xù)網(wǎng)絡模型(correlationmetricconstruction,CMC)，確定型網(wǎng)絡模型(D’haeseleer等的線性模型，Weaver