發(fā)布時(shí)間：2017-07-31 16:00

  本文關(guān)鍵詞：睡眠剝奪差異表達(dá)基因的篩選及生物信息學(xué)分析

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【摘要】：人的一生有三分之一的時(shí)間都處在睡眠狀態(tài)下,睡眠和每一個(gè)人的生理及心理狀況密切相關(guān),它是中樞神經(jīng)系統(tǒng)精細(xì)調(diào)節(jié)下的一種生理過程。近一個(gè)世紀(jì)以來,它引起了很多學(xué)者的極大興趣,并致力于這一領(lǐng)域的相關(guān)研究。雖然睡眠的生理功能和機(jī)制仍不十分清楚,但睡眠的重要作用早已成為大家的共識(shí)。人可以絕食自盡,卻不能做到長(zhǎng)期拒絕睡眠。睡眠剝奪或者睡眠不足是一種常見的社會(huì)現(xiàn)象,它給人們帶來的負(fù)面影響正受到越來越多的關(guān)注。睡眠量不正常以及睡眠中出現(xiàn)異常行為,通常表明睡眠和覺醒正常節(jié)律性交替出現(xiàn)了紊亂。睡眠障礙可由多種因素引起,常與軀體疾病有關(guān),包括睡眠失調(diào)和異態(tài)睡眠。睡眠與人的健康息息相關(guān)。調(diào)查顯示,很多人都患有睡眠方面的障礙或者和睡眠相關(guān)的疾病,成年人出現(xiàn)睡眠障礙的比例高達(dá)30%。另外,據(jù)中國(guó)6城市的調(diào)研顯示,成年人一年內(nèi)的失眠患病率高達(dá)57%。專家指出睡眠是維持人體生命極其重要的生理功能,對(duì)人體必不可少。長(zhǎng)期失眠會(huì)導(dǎo)致大腦功能紊亂,對(duì)身體造成多種危害,嚴(yán)重影響身心健康。目前國(guó)內(nèi)外大量的研究發(fā)現(xiàn),睡眠剝奪可以影響某些基因的表達(dá),抑制炎癥反應(yīng)相關(guān)因子的形成,還有可能引發(fā)糖尿病,減少睡眠也有增加抑郁癥的患病風(fēng)險(xiǎn)。幾十年來,雖然人們對(duì)睡眠剝奪給人體造成的不良影響有了進(jìn)一步的了解,但其作用機(jī)制仍不清楚。為了更好地預(yù)防和治療睡眠剝奪相關(guān)疾病,需要從分子水平揭示其發(fā)病機(jī)制。隨著人類基因組計(jì)劃的逐步實(shí)施以及分子生物學(xué)相關(guān)學(xué)科的快速發(fā)展,越來越多的動(dòng)植物、微生物基因組序列得以測(cè)定,基因序列數(shù)據(jù)正在以前所未有的速度迅速增長(zhǎng)。然而,如何去研究如此眾多基因在生命過程中所擔(dān)負(fù)的功能就成了全世界生命科學(xué)工作者共同的課題。為此,建立新型雜交和測(cè)序方法以對(duì)大量的遺傳信息進(jìn)行高效、快速的檢測(cè)、分析就顯得格外重要了�；蛐酒�(又稱DNA芯片、生物芯片)技術(shù)就是順應(yīng)這一科學(xué)發(fā)展要求的產(chǎn)物,它的出現(xiàn)為解決此類問題指引了方向,并且提供了光輝的前景。由于基因芯片技術(shù)能夠?qū)⒋罅刻结樛瑫r(shí)固定于支持物上,因此可以對(duì)樣品大量序列進(jìn)行一次性的檢測(cè)和分析。正因?yàn)楦鞣N技術(shù)的發(fā)展和革新,解決了傳統(tǒng)核酸印跡雜交技術(shù)操作繁雜、操作序列數(shù)量少、自動(dòng)化程度低、檢測(cè)效率低等不足的特點(diǎn)。而且,通過設(shè)計(jì)不同的探針陣列、使用特定的分析方法可使該技術(shù)具有多種不同的應(yīng)用價(jià)值,如基因表達(dá)譜測(cè)定、突變檢測(cè)、多態(tài)性分析、基因組文庫作圖及雜交測(cè)序等。RNA水平處在不同環(huán)境壓力、時(shí)間、空間等方面下,表達(dá)有顯著性差異的基因通常稱為差異基因。人體基因組圖譜好比是一張能說明構(gòu)成每個(gè)人體細(xì)胞脫氧核糖核酸(DNA)的30億個(gè)堿基對(duì)精確排列的“地圖”�？茖W(xué)家們認(rèn)為,通過對(duì)每一個(gè)基因在疾病中差異表達(dá)的測(cè)定,人們將能夠找到新的方法來治療和預(yù)防許多疾病,如癌癥和心臟病等。大多數(shù)基因芯片的基因表達(dá)譜實(shí)驗(yàn)的目的是為了識(shí)別出在不同條件下受到調(diào)控的基因,這需要對(duì)各種的條件進(jìn)行比較以確定不同條件下的基因表達(dá)是否存在差異,即基因表達(dá)的差異或者改變可能是有條件或表型上的改變所導(dǎo)致。這類實(shí)驗(yàn)的主要目的是為了是識(shí)別在不同條件下差異表達(dá)的基因。蛋白質(zhì)是生命功能的執(zhí)行者,也是生命現(xiàn)象的直接體現(xiàn)者。為了解釋生命在生理或病理?xiàng)l件下的分子機(jī)制,必需對(duì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行研究。而蛋白質(zhì)功能的實(shí)現(xiàn)往往表現(xiàn)為蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)或蛋白質(zhì)與其他生物大分子之間的相互作用。細(xì)胞結(jié)構(gòu)、生化活性和能動(dòng)行為是蛋白質(zhì)的相互作用的基礎(chǔ)。蛋白質(zhì)間的相互作用是其功能的直接體現(xiàn),細(xì)胞進(jìn)行生命活動(dòng)過程是蛋白質(zhì)在一定時(shí)間和空間下的相互作用的生理結(jié)果。建立模式生物系統(tǒng)中所有蛋白質(zhì)相互作用的網(wǎng)絡(luò),即蛋白質(zhì)相互作用組。為了研究蛋白質(zhì)的其它功能和系細(xì)胞的全局特征,因此,構(gòu)建蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)的研究顯得尤為重要。一般情況下,蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)的破壞和崩潰,可能引發(fā)細(xì)胞功能障礙,嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致細(xì)胞的死亡。因此,可以通過建立蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò),研究蛋白質(zhì)作用網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)模型。這將有助于尋找合適的藥物作用靶點(diǎn),為新藥的開發(fā)提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。近年來用于蛋白質(zhì)間相互作用研究的先進(jìn)分析技術(shù)包括：酵母雙雜交系統(tǒng)、熒光共振能量轉(zhuǎn)移技術(shù)、表面等離子體共振技術(shù)、蛋白質(zhì)芯片技術(shù)。但近幾十年來,隨著生物信息學(xué)的快速發(fā)展,越來越多的科研工作者開始運(yùn)用生物信息學(xué)的方法來研究蛋白質(zhì)的相互作用。經(jīng)過十幾年的快速發(fā)展,生物信息學(xué)已經(jīng)步入了后基因組時(shí)代。生物信息學(xué)的研究?jī)?nèi)容已經(jīng)不再局限于對(duì)基因組和蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)的高效分析,而是轉(zhuǎn)移到比較基因組學(xué)、代謝網(wǎng)絡(luò)分析、基因表達(dá)譜網(wǎng)絡(luò)分析、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能分析以及藥物靶點(diǎn)篩選等方面的研究。目前,生物信息學(xué)已經(jīng)分別與功能基因組、蛋白質(zhì)組、結(jié)構(gòu)基因組等研究領(lǐng)域互相配合、緊密相關(guān),是目前的系統(tǒng)生物學(xué)研究的研究熱點(diǎn)。生物學(xué)家在揭示一些具有一般規(guī)律的生命現(xiàn)象時(shí),通常會(huì)選擇某種生物物種作為模式生物,包括它們的生長(zhǎng)特性、一些基因的序列和功能等。模式生物能夠成為科學(xué)研究當(dāng)中不可替代的實(shí)驗(yàn)方案,是由于地球上各種生物許多的基本生命活動(dòng)通常都是保守的。根據(jù)研究者想要解決什么樣的科學(xué)問題,才能確定我們選擇什么樣的生物作為模式生物,然后再選擇一些適合這種模式生物的實(shí)驗(yàn)方案。幾十年的研究和發(fā)展,人們就發(fā)現(xiàn),發(fā)育現(xiàn)象的難題往往可以通常相對(duì)簡(jiǎn)單生物的研究得到解決。因?yàn)檫@些相對(duì)簡(jiǎn)單的生物往往很容易被觀察和進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)操作。因此,模式生物的研究策略不但可以應(yīng)用于遺傳學(xué)的研究,也可以廣泛的應(yīng)用于發(fā)育生物學(xué)的科學(xué)研究。經(jīng)過幾十年的科學(xué)研究的經(jīng)驗(yàn)累積,已經(jīng)總結(jié)出了一些典型的模式生物,包括線蟲、果蠅、非洲爪蟾、蠑螈、小鼠等。隨著人類基因組計(jì)劃的完成和后基因組研究時(shí)代的到來,模式生物研究策略得到了更多的重視�；虻慕Y(jié)構(gòu)和功能可以在其它合適的生物中去研究,同樣人類的生理和病理過程也可以選擇合適的生物來模擬。在分類學(xué)上,小鼠屬于哺乳綱、嚙齒目、鼠科、小鼠屬動(dòng)物。小鼠是通過小家鼠馴化而來的。它主要分布于世界各地,通常被選擇為理想的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物。由于受到人工的長(zhǎng)期飼養(yǎng)和選擇培育,現(xiàn)各大實(shí)驗(yàn)室及生物技術(shù)公司已育成1000多近交系和獨(dú)立的遠(yuǎn)交群。小鼠早在17世紀(jì)就被選擇為研究對(duì)象進(jìn)行實(shí)驗(yàn),現(xiàn)已成為使用量最大、研究最詳盡的哺乳類實(shí)驗(yàn)動(dòng)物之一。在20世紀(jì)生命科學(xué)發(fā)展的歷史長(zhǎng)河中,果蠅扮演了極其重要的角色。果蠅作為一種模型生物,一直都表現(xiàn)的非�；钴S,尤其是在遺傳學(xué)的研究和發(fā)育的基因調(diào)控研究方面。另外,各類神經(jīng)疾病的研究、老年癡呆癥、帕金森病、酒精中毒和藥物成癮等也經(jīng)常使用果蠅作為研究對(duì)象,進(jìn)而模擬和推測(cè)人體的生物學(xué)規(guī)律。衰老與長(zhǎng)壽、學(xué)習(xí)記憶與某些認(rèn)知行為的研究等也逐漸開始嘗試用果蠅為模式生物來展開相關(guān)的科學(xué)研究。本研究主要內(nèi)容分為以下兩個(gè)部分：第一部分：睡眠剝奪對(duì)小鼠海馬體基因表達(dá)的影響及生物信息學(xué)分析本研究首先利用Qlucore Omics Explorer 3.0軟件對(duì)基因芯片數(shù)據(jù)GSE33302差異表達(dá)基因進(jìn)行分析與篩選。Peixoto L等提交的GSE33302芯片數(shù)據(jù),采用的是商業(yè)化的離子通道芯片平臺(tái)GPL1261,其中9個(gè)樣本來自睡眠剝奪小鼠海馬體,對(duì)照組數(shù)據(jù)來自8個(gè)非睡眠剝奪小鼠海馬體。對(duì)GSE33302的數(shù)據(jù)分析篩選出了101個(gè)差異表達(dá)基因,其中下調(diào)基因66個(gè),上調(diào)調(diào)基因35個(gè)。運(yùn)用PANTHER和DAVID兩種生物學(xué)信息學(xué)工具對(duì)差異表達(dá)基因進(jìn)行綜合分析發(fā)現(xiàn),在生物學(xué)途徑中,睡眠剝奪差異基因主要涉及促性腺激素-釋放激素受體通路、腎上腺素和去腎上腺素生物合成通路、趨化因子和細(xì)胞因子介導(dǎo)的信號(hào)通路、細(xì)胞凋亡信號(hào)通路、亨廷頓舞蹈病通路和帕金森病通路等生物學(xué)通路；在生物學(xué)過程中,差異基因主要涉的生物學(xué)過程包括及代謝過程、生物調(diào)節(jié)過程、發(fā)育過程、細(xì)胞定位過程、免疫系統(tǒng)過程和細(xì)胞凋亡過程等過程。最后,利用蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)分析軟件STRING對(duì)數(shù)據(jù)集GSE33302中篩選到的差異基因進(jìn)行了蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。通過對(duì)蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)圖進(jìn)行分析和計(jì)算,在數(shù)據(jù)集GSE33302篩選到的101個(gè)差異基因中,Usp2、Armt1、Dbp、Per1、Per2、Cry1、Cry2、Clock、Mapk1、Prkag1、Prkag2、Prkag3、 Prkaa1、Prkaa2、Prkab2、Eprs、Rars、Xpo1、Upf3b、Notch1、Rae1、Apoe、 Apob、Apoa1、Lipc、Hspa5、Sin3a、Hdac1、Jun蛋白與其它≥5個(gè)蛋白存在相互作用關(guān)系,為此蛋白相互作用網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn)。刪除這些節(jié)點(diǎn)蛋白后,網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)渙散。因此,這些蛋白在睡眠剝奪相關(guān)疾病的發(fā)生和發(fā)展中可能起著至關(guān)重要的作用。第二部分：睡眠剝奪對(duì)果蠅大腦基因表達(dá)的影響及生物信息學(xué)分析本研究首先利用Qlucore Omics Explorer 3.0軟件對(duì)基因芯片數(shù)據(jù)GSE4174進(jìn)行了差異表達(dá)基因的分析。Zimmerman等提交的GSE4174芯片數(shù)據(jù),采用的是商業(yè)化的離子通道芯片平臺(tái)GPL72。選擇其中9個(gè)樣本來自睡眠剝奪果蠅大腦組織,對(duì)照組數(shù)據(jù)來自6個(gè)非睡眠剝奪果蠅大腦組織進(jìn)行分析。對(duì)GSE4174的數(shù)據(jù)分析篩選出了171個(gè)差異表達(dá)基因,其中下調(diào)基因125個(gè),上調(diào)基因46個(gè)。通過Panther生物學(xué)通路分析發(fā)現(xiàn),差異表達(dá)基因共涉及20個(gè)生物學(xué)通路,其中主要涉及硫胺素代謝途徑、Notch信號(hào)途徑、轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)途徑、多巴胺受體調(diào)節(jié)信號(hào)途徑、Wnt信號(hào)途徑、Ras途徑、丙酮酸代謝途徑、嘌呤從頭合成途徑和DNA復(fù)制途徑等。Panther生物學(xué)過程分析表明,差異基因主要涉及細(xì)胞組成的生物合成過程、細(xì)胞過程、細(xì)胞定位過程、細(xì)胞凋亡過程、生物調(diào)節(jié)過程、對(duì)刺激物的反應(yīng)過程、發(fā)育過程、多細(xì)胞組織過程、生物鏈接過程、代謝過程和免疫系統(tǒng)過程等。Panther分子功能分析表明,差異表達(dá)的基因主要涉及轉(zhuǎn)運(yùn)體活性、蛋白結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子活性、酶調(diào)節(jié)活性、催化活性、受體活性、核酸結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子活性、抗氧化活性結(jié)構(gòu)分子活性和結(jié)合活性等。Panther細(xì)胞組成分析表明,差異表達(dá)基因主要包括細(xì)胞膜、細(xì)胞器和高分子復(fù)合物等細(xì)胞成分。最后,利用蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)分析軟件STRING對(duì)數(shù)據(jù)集GSE4174中篩選到的差異基因進(jìn)行了蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。通過對(duì)蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)圖進(jìn)行分析和計(jì)算,在數(shù)據(jù)集GSE4174篩選到的171個(gè)差異基因中,brm、DDB1、Ssl1、His3.3A、Spt5、Cyck、Hsp83、CG1646、CG6015、CG8258、CG5525、 CG1416和CGtgamma蛋白與其它≥5個(gè)蛋白存在相互作用關(guān)系,為此蛋白相互作用網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn)。刪除這些節(jié)點(diǎn)蛋白后,網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)渙散。因此,這些蛋白在睡眠剝奪相關(guān)疾病的發(fā)生和發(fā)展中可能起著至關(guān)重要的作用。Screening and bioinformatics analysis of differentially expressed genes in sleep
【關(guān)鍵詞】：睡眠剝奪 基因芯片 差異基因 生物信息學(xué) 蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)
【學(xué)位授予單位】：南方醫(yī)科大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：R740;Q78
【目錄】：

• 摘要3-9
• ABSTRACT9-19
• 第一章 緒論19-25
• 1.1 睡眠剝奪19-20
• 1.2 基因芯片技術(shù)20-21
• 1.3 差異基因與基因表達(dá)譜21-22
• 1.4 蛋白質(zhì)的相互作用22-25
• 第二章 材料與方法25-36
• 2.1 實(shí)驗(yàn)材料25-30
• 2.2 實(shí)驗(yàn)方法30-36
• 第三章 睡眠剝奪對(duì)小鼠海馬體基因表達(dá)的影響及生物信息學(xué)分析36-58
• 3.1 實(shí)驗(yàn)方法36-37
• 3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果37-56
• 3.3 討論56-58
• 第四章 睡眠剝奪對(duì)果蠅大腦基因表達(dá)的影響及生物信息學(xué)分析58-79
• 4.1 實(shí)驗(yàn)方法58-59
• 4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果59-76
• 4.3 討論76-79
• 結(jié)論79-81
• 參考文獻(xiàn)81-88
• 附錄88-89
• 成果89-90
• 致謝90-91

【相似文獻(xiàn)】

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1 王銳安,羅二平,王景杰,徐巧玲,楊群;睡眠剝奪對(duì)大鼠胃酸分泌和胃運(yùn)動(dòng)影響的實(shí)驗(yàn)研究[J];西南國(guó)防醫(yī)藥;2005年04期

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3 隋月林;李吉勇;胡慶;朱建中;孟晨陽;李積勝;校審;;睡眠剝奪與學(xué)習(xí)記憶[J];四川解剖學(xué)雜志;2006年04期

4 李寧;汪f，

本文編號(hào)：599927