本文關鍵詞：睡眠剝奪差異表達基因的篩選及生物信息學分析

  更多相關文章： 睡眠剝奪 基因芯片 差異基因 生物信息學 蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡

【摘要】：人的一生有三分之一的時間都處在睡眠狀態(tài)下,睡眠和每一個人的生理及心理狀況密切相關,它是中樞神經(jīng)系統(tǒng)精細調(diào)節(jié)下的一種生理過程。近一個世紀以來,它引起了很多學者的極大興趣,并致力于這一領域的相關研究。雖然睡眠的生理功能和機制仍不十分清楚,但睡眠的重要作用早已成為大家的共識。人可以絕食自盡,卻不能做到長期拒絕睡眠。睡眠剝奪或者睡眠不足是一種常見的社會現(xiàn)象,它給人們帶來的負面影響正受到越來越多的關注。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,包括睡眠失調(diào)和異態(tài)睡眠。睡眠與人的健康息息相關。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的疾病,成年人出現(xiàn)睡眠障礙的比例高達30%。另外,據(jù)中國6城市的調(diào)研顯示,成年人一年內(nèi)的失眠患病率高達57%。專家指出睡眠是維持人體生命極其重要的生理功能,對人體必不可少。長期失眠會導致大腦功能紊亂,對身體造成多種危害,嚴重影響身心健康。目前國內(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,抑制炎癥反應相關因子的形成,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險。幾十年來,雖然人們對睡眠剝奪給人體造成的不良影響有了進一步的了解,但其作用機制仍不清楚。為了更好地預防和治療睡眠剝奪相關疾病,需要從分子水平揭示其發(fā)病機制。隨著人類基因組計劃的逐步實施以及分子生物學相關學科的快速發(fā)展,越來越多的動植物、微生物基因組序列得以測定,基因序列數(shù)據(jù)正在以前所未有的速度迅速增長。然而,如何去研究如此眾多基因在生命過程中所擔負的功能就成了全世界生命科學工作者共同的課題。為此,建立新型雜交和測序方法以對大量的遺傳信息進行高效、快速的檢測、分析就顯得格外重要了。基因芯片(又稱DNA芯片、生物芯片)技術就是順應這一科學發(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。由于基因芯片技術能夠?qū)⒋罅刻结樛瑫r固定于支持物上,因此可以對樣品大量序列進行一次性的檢測和分析。正因為各種技術的發(fā)展和革新,解決了傳統(tǒng)核酸印跡雜交技術操作繁雜、操作序列數(shù)量少、自動化程度低、檢測效率低等不足的特點。而且,通過設計不同的探針陣列、使用特定的分析方法可使該技術具有多種不同的應用價值,如基因表達譜測定、突變檢測、多態(tài)性分析、基因組文庫作圖及雜交測序等。RNA水平處在不同環(huán)境壓力、時間、空間等方面下,表達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成每個人體細胞脫氧核糖核酸(DNA)的30億個堿基對精確排列的“地圖”。科學家們認為,通過對每一個基因在疾病中差異表達的測定,人們將能夠找到新的方法來治療和預防許多疾病,如癌癥和心臟病等。大多數(shù)基因芯片的基因表達譜實驗的目的是為了識別出在不同條件下受到調(diào)控的基因,這需要對各種的條件進行比較以確定不同條件下的基因表達是否存在差異,即基因表達的差異或者改變可能是有條件或表型上的改變所導致。這類實驗的主要目的是為了是識別在不同條件下差異表達的基因。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條件下的分子機制,必需對蛋白質(zhì)結構和功能進行研究。而蛋白質(zhì)功能的實現(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。細胞結構、生化活性和能動行為是蛋白質(zhì)的相互作用的基礎。蛋白質(zhì)間的相互作用是其功能的直接體現(xiàn),細胞進行生命活動過程是蛋白質(zhì)在一定時間和空間下的相互作用的生理結果。建立模式生物系統(tǒng)中所有蛋白質(zhì)相互作用的網(wǎng)絡,即蛋白質(zhì)相互作用組。為了研究蛋白質(zhì)的其它功能和系細胞的全局特征,因此,構建蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡的研究顯得尤為重要。一般情況下,蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡的破壞和崩潰,可能引發(fā)細胞功能障礙,嚴重時可能導致細胞的死亡。因此,可以通過建立蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡,研究蛋白質(zhì)作用網(wǎng)絡的動態(tài)模型。這將有助于尋找合適的藥物作用靶點,為新藥的開發(fā)提供堅實的理論基礎。近年來用于蛋白質(zhì)間相互作用研究的先進分析技術包括：酵母雙雜交系統(tǒng)、熒光共振能量轉移技術、表面等離子體共振技術、蛋白質(zhì)芯片技術。但近幾十年來,隨著生物信息學的快速發(fā)展,越來越多的科研工作者開始運用生物信息學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,生物信息學已經(jīng)步入了后基因組時代。生物信息學的研究內(nèi)容已經(jīng)不再局限于對基因組和蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)的高效分析,而是轉移到比較基因組學、代謝網(wǎng)絡分析、基因表達譜網(wǎng)絡分析、蛋白質(zhì)結構與功能分析以及藥物靶點篩選等方面的研究。目前,生物信息學已經(jīng)分別與功能基因組、蛋白質(zhì)組、結構基因組等研究領域互相配合、緊密相關,是目前的系統(tǒng)生物學研究的研究熱點。生物學家在揭示一些具有一般規(guī)律的生命現(xiàn)象時,通常會選擇某種生物物種作為模式生物,包括它們的生長特性、一些基因的序列和功能等。模式生物能夠成為科學研究當中不可替代的實驗方案,是由于地球上各種生物許多的基本生命活動通常都是保守的。根據(jù)研究者想要解決什么樣的科學問題,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驗方案。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簡單生物的研究得到解決。因為這些相對簡單的生物往往很容易被觀察和進行相關的實驗操作。因此,模式生物的研究策略不但可以應用于遺傳學的研究,也可以廣泛的應用于發(fā)育生物學的科學研究。經(jīng)過幾十年的科學研究的經(jīng)驗累積,已經(jīng)總結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。隨著人類基因組計劃的完成和后基因組研究時代的到來,模式生物研究策略得到了更多的重視。基因的結構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。在分類學上,小鼠屬于哺乳綱、嚙齒目、鼠科、小鼠屬動物。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驗動物。由于受到人工的長期飼養(yǎng)和選擇培育,現(xiàn)各大實驗室及生物技術公司已育成1000多近交系和獨立的遠交群。小鼠早在17世紀就被選擇為研究對象進行實驗,現(xiàn)已成為使用量最大、研究最詳盡的哺乳類實驗動物之一。在20世紀生命科學發(fā)展的歷史長河中,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)的非常活躍,尤其是在遺傳學的研究和發(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象,進而模擬和推測人體的生物學規(guī)律。衰老與長壽、學習記憶與某些認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的科學研究。本研究主要內(nèi)容分為以下兩個部分：第一部分：睡眠剝奪對小鼠海馬體基因表達的影響及生物信息學分析本研究首先利用Qlucore Omics Explorer 3.0軟件對基因芯片數(shù)據(jù)GSE33302差異表達基因進行分析與篩選。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GPL1261,其中9個樣本來自睡眠剝奪小鼠海馬體,對照組數(shù)據(jù)來自8個非睡眠剝奪小鼠海馬體。對GSE33302的數(shù)據(jù)分析篩選出了101個差異表達基因,其中下調(diào)基因66個,上調(diào)調(diào)基因35個。運用PANTHER和DAVID兩種生物學信息學工具對差異表達基因進行綜合分析發(fā)現(xiàn),在生物學途徑中,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、趨化因子和細胞因子介導的信號通路、細胞凋亡信號通路、亨廷頓舞蹈病通路和帕金森病通路等生物學通路；在生物學過程中,差異基因主要涉的生物學過程包括及代謝過程、生物調(diào)節(jié)過程、發(fā)育過程、細胞定位過程、免疫系統(tǒng)過程和細胞凋亡過程等過程。最后,利用蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡分析軟件STRING對數(shù)據(jù)集GSE33302中篩選到的差異基因進行了蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡的構建。通過對蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡圖進行分析和計算,在數(shù)據(jù)集GSE33302篩選到的101個差異基因中,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個蛋白存在相互作用關系,為此蛋白相互作用網(wǎng)絡的中心節(jié)點。刪除這些節(jié)點蛋白后,網(wǎng)絡結構渙散。因此,這些蛋白在睡眠剝奪相關疾病的發(fā)生和發(fā)展中可能起著至關重要的作用。第二部分：睡眠剝奪對果蠅大腦基因表達的影響及生物信息學分析本研究首先利用Qlucore Omics Explorer 3.0軟件對基因芯片數(shù)據(jù)GSE4174進行了差異表達基因的分析。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GPL72。選擇其中9個樣本來自睡眠剝奪果蠅大腦組織,對照組數(shù)據(jù)來自6個非睡眠剝奪果蠅大腦組織進行分析。對GSE4174的數(shù)據(jù)分析篩選出了171個差異表達基因,其中下調(diào)基因125個,上調(diào)基因46個。通過Panther生物學通路分析發(fā)現(xiàn),差異表達基因共涉及20個生物學通路,其中主要涉及硫胺素代謝途徑、Notch信號途徑、轉錄調(diào)節(jié)途徑、多巴胺受體調(diào)節(jié)信號途徑、Wnt信號途徑、Ras途徑、丙酮酸代謝途徑、嘌呤從頭合成途徑和DNA復制途徑等。Panther生物學過程分析表明,差異基因主要涉及細胞組成的生物合成過程、細胞過程、細胞定位過程、細胞凋亡過程、生物調(diào)節(jié)過程、對刺激物的反應過程、發(fā)育過程、多細胞組織過程、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,差異表達的基因主要涉及轉運體活性、蛋白結合轉錄因子活性、酶調(diào)節(jié)活性、催化活性、受體活性、核酸結合轉錄因子活性、抗氧化活性結構分子活性和結合活性等。Panther細胞組成分析表明,差異表達基因主要包括細胞膜、細胞器和高分子復合物等細胞成分。最后,利用蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡分析軟件STRING對數(shù)據(jù)集GSE4174中篩選到的差異基因進行了蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡的構建。通過對蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡圖進行分析和計算,在數(shù)據(jù)集GSE4174篩選到的171個差異基因中,brm、DDB1、Ssl1、His3.3A、Spt5、Cyck、Hsp83、CG1646、CG6015、CG8258、CG5525、 CG1416和CGtgamma蛋白與其它≥5個蛋白存在相互作用關系,為此蛋白相互作用網(wǎng)絡的中心節(jié)點。刪除這些節(jié)點蛋白后,網(wǎng)絡結構渙散。因此,這些蛋白在睡眠剝奪相關疾病的發(fā)生和發(fā)展中可能起著至關重要的作用。Screening and bioinformatics analysis of differentially expressed genes in sleep
【關鍵詞】：睡眠剝奪 基因芯片 差異基因 生物信息學 蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡
【學位授予單位】：南方醫(yī)科大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：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20-21
• 1.3 差異基因與基因表達譜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 實驗材料25-30
• 2.2 實驗方法30-36
• 第三章 睡眠剝奪對小鼠海馬體基因表達的影響及生物信息學分析36-58
• 3.1 實驗方法36-37
• 3.2 實驗結果37-56
• 3.3 討論56-58
• 第四章 睡眠剝奪對果蠅大腦基因表達的影響及生物信息學分析58-79
• 4.1 實驗方法58-59
• 4.2 實驗結果59-76
• 4.3 討論76-79
• 結論79-81
• 參考文獻81-88
• 附錄88-89
• 成果89-90
• 致謝90-91

【相似文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 王銳安,羅二平,王景杰,徐巧玲,楊群;睡眠剝奪對大鼠胃酸分泌和胃運動影響的實驗研究[J];西南國防醫(yī)藥;2005年04期

2 殷熙寬;;睡眠剝奪后最大運動量前后免疫活性化物質(zhì)、集中力及運動完成能力的變化[J];科技資訊;2007年28期

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

4 李寧;汪f，

本文編號：599927