【摘要】：表觀遺傳的基因調(diào)控是指不改變DNA序列的前提下在轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后水平上對(duì)基因表達(dá)的控制。在生物系統(tǒng)中各種基因表達(dá)產(chǎn)物之間互相作用,形成龐大而又極為復(fù)雜的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。對(duì)基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)尤其是核心網(wǎng)絡(luò)模體的動(dòng)力學(xué)行為和調(diào)控機(jī)制的研究已經(jīng)成為當(dāng)前系統(tǒng)生物學(xué)和生物信息學(xué)的熱點(diǎn)。生物系統(tǒng)中的調(diào)控受到許多隨機(jī)非線性因素的影響,如生命活動(dòng)中由于參與生化反應(yīng)的分子個(gè)數(shù)非常少而引起的明顯漲落,細(xì)胞所處的微環(huán)境中隨機(jī)擾動(dòng)因素,基因調(diào)控中信號(hào)傳遞的時(shí)滯影響等,因此,在基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的研究中必須充分考慮非線性隨機(jī)動(dòng)力學(xué)因素的影響。本文基于非線性隨機(jī)動(dòng)力學(xué)理論以及數(shù)值模擬技術(shù),系統(tǒng)研究了體細(xì)胞重編程過(guò)程中級(jí)聯(lián)前饋型基因調(diào)控模型和肺癌細(xì)胞表型轉(zhuǎn)變的雙負(fù)反饋調(diào)控模型,取得的成果如下:(1)本文基于描述體細(xì)胞重編程過(guò)程的具有與門的級(jí)聯(lián)前饋非線性動(dòng)力學(xué)模型,在外源多能因子連續(xù)表達(dá)條件下,對(duì)細(xì)胞內(nèi)各關(guān)鍵基因表達(dá)量的數(shù)值模擬結(jié)果能與體細(xì)胞重編程實(shí)驗(yàn)中各多能因子激活的延遲效應(yīng)吻合;通過(guò)敏感性分析發(fā)現(xiàn)加強(qiáng)轉(zhuǎn)錄調(diào)控的作用強(qiáng)度有利于加速多能因子的表達(dá)從而加快體細(xì)胞重編程的進(jìn)程。然后利用Langevin理論對(duì)具有隨機(jī)噪聲的動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行分析,逐步解析出三個(gè)關(guān)鍵基因X、Y、Z表達(dá)量的Fano因子、協(xié)方差和敏感率的理論公式。通過(guò)數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn):三個(gè)關(guān)鍵基因的表達(dá)量的內(nèi)噪聲并沒(méi)有隨著激活率(kS2和kY)的增長(zhǎng)而產(chǎn)生顯著的變化,關(guān)鍵基因Y表達(dá)量的內(nèi)噪聲在kX約為0.25時(shí)存在最小值;且三個(gè)關(guān)鍵基因表達(dá)量的內(nèi)噪聲都主要依賴于其自身的激活率和降解率的變化。當(dāng)上游轉(zhuǎn)錄因子取固定的激活率時(shí),穩(wěn)態(tài)的敏感率隨著自激活率(或自降解率)的增長(zhǎng)先增大,達(dá)到峰值后再降低,而且峰值的大小會(huì)隨著上游轉(zhuǎn)錄因子的激活率的增大而減小�？偟膩�(lái)說(shuō),這些結(jié)果表明級(jí)聯(lián)前饋轉(zhuǎn)錄調(diào)控通路能用于解釋外源因子OSKM誘導(dǎo)的重編程過(guò)程的延遲效應(yīng)和不可逆轉(zhuǎn)變行為;在基因調(diào)控模體的級(jí)聯(lián)中上游轉(zhuǎn)錄因子的內(nèi)噪聲不能傳遞到下游轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)中;穩(wěn)態(tài)值對(duì)系統(tǒng)參數(shù)變化的敏感率是類似于諧振現(xiàn)象的非單調(diào)性變化。在體細(xì)胞重編程誘導(dǎo)多能性動(dòng)力學(xué)問(wèn)題中,我們的結(jié)論對(duì)于內(nèi)噪聲和敏感率的作用或許能提供一些新的認(rèn)識(shí)。(2)本文建立了一個(gè)基于miR200抑制性調(diào)控作用下的Lin28和Let7雙負(fù)反饋動(dòng)力學(xué)模型用來(lái)描述肺癌腫瘤細(xì)胞干性特征表型轉(zhuǎn)變。首先通過(guò)Lin28表達(dá)量分岔圖找到腫瘤細(xì)胞可能具有的三種表型(高干性低分化U態(tài)、中等干性中等分化P態(tài)和低干性高分化D態(tài)),通過(guò)參數(shù)敏感性分析發(fā)現(xiàn)Let7表達(dá)量增加和系統(tǒng)自降解率的減小有利于提高P態(tài)存在的魯棒性,而Lin28表達(dá)量的減小能增加D態(tài)與U態(tài)表型轉(zhuǎn)變的不可逆性。通過(guò)比較,本文找到腫瘤細(xì)胞的五種表型分布與肺癌的四種主要臨床分型間可能的關(guān)聯(lián),并通過(guò)對(duì)各調(diào)控因素(如噪聲強(qiáng)度、自調(diào)控強(qiáng)度、互抑制強(qiáng)度)影響表型概率分布和表型轉(zhuǎn)變的平均首通時(shí)間的研究發(fā)現(xiàn):激活Lin28或抑制Let7將促使細(xì)胞表型向高干性的U態(tài)轉(zhuǎn)變,反之促使細(xì)胞表型向低干性的D態(tài)轉(zhuǎn)變;噪聲強(qiáng)度的增強(qiáng)使得細(xì)胞表型轉(zhuǎn)變更頻繁并傾向分布概率更大的表型轉(zhuǎn)變:Lin28自激活調(diào)控的時(shí)間延遲的增加能增強(qiáng)細(xì)胞表型的穩(wěn)定性,也使得細(xì)胞傾向于向Lin28低表達(dá)的表型狀態(tài)轉(zhuǎn)變。最后通過(guò)對(duì)非小細(xì)胞肺癌治療抗性產(chǎn)生過(guò)程的模擬初步探討了治療抗性產(chǎn)生的可能機(jī)制和克服治療抗性可采取的對(duì)策。本文的模型提供了一種從干性特征角度理解肺癌腫瘤異質(zhì)性及其表型轉(zhuǎn)變的新見解,或許能為肺癌及其他癌癥腫瘤的診斷和治療提供一點(diǎn)新的思路。
【圖文】：

此外由于Ｚ的表達(dá)受到Ｘ的直接調(diào)控和通過(guò)Ｙ的間接調(diào)控，兩者共同的調(diào)控模式可以用“與逡逑門”或“或門”來(lái)表示�！芭c門”指的是只有Ｘ和Ｙ兩者對(duì)Ｚ同時(shí)都產(chǎn)生了激活作用，Ｚ的基因表逡逑達(dá)水平才產(chǎn)生變化；“或門”指的是只要Ｘ和Ｙ任意一個(gè)對(duì)Ｚ產(chǎn)生了激活作用，Ｚ的基因表達(dá)水逡逑平就能發(fā)生變化。若考慮加入“與門”和“或門”的作用，前饋環(huán)模體能有１２種不同的結(jié)構(gòu)，但是逡逑在研宄得最深入的酵母和大腸桿菌中，如圖１．３（ａ）所示的一致性前饋環(huán)和圖１．３（ｃ）所示的非一致逡逑性前饋環(huán)這兩種結(jié)構(gòu)最為普遍［２３，２４］。逡逑如果圖１．３（ａ）的一致性前饋環(huán)結(jié)構(gòu)具有“與門”調(diào)控模式，那么它就會(huì)產(chǎn)生一種“信號(hào)敏感性逡逑延遲”，也就是對(duì)刺激產(chǎn)生的反應(yīng)具有延遲效果，但對(duì)刺激停止的反應(yīng)卻不具有延遲效果�？梢藻义虾�(jiǎn)單的分析一下這種延遲效果的原因：當(dāng)Ｘ產(chǎn)生激活信號(hào)，它就會(huì)快速地啟動(dòng)并綁定在下游Ｙ逡逑和Ｚ基因的啟動(dòng)子上。但是Ｙ的增加需要一個(gè)時(shí)間累積的過(guò)程，由于對(duì)Ｚ的調(diào)控具有“與門”逡逑的特性，所以在Ｙ的表達(dá)水平?jīng)]有達(dá)到Ｚ的啟動(dòng)子要求的閾值前，Ｚ的表達(dá)仍然未能被Ｘ和Ｙ逡逑共同調(diào)控激活，這樣就形成了邋Ｚ的激活時(shí)間與Ｘ的激活時(shí)間之間產(chǎn)生了延遲效應(yīng)。但是若Ｘ逡逑的刺激信號(hào)消失，Ｘ立刻失活，此時(shí)“與門’’決定了邋Ｚ的表達(dá)立刻受到Ｘ的失活信號(hào)的影響，不逡逑存在信號(hào)延遲的效果。通常這種延遲效果強(qiáng)度是由生物系統(tǒng)中Ｙ值參數(shù)決定的，例如Ｙ對(duì)Ｚ逡逑的刺激閾值越高，延遲越顯著，同時(shí)這種延遲也能過(guò)濾掉系統(tǒng)信號(hào)傳遞中短暫的信號(hào)虛假波動(dòng)，，逡逑只讓持續(xù)的信號(hào)產(chǎn)生作用。在實(shí)驗(yàn)中通過(guò)大腸桿菌的阿拉伯糖利用系統(tǒng)證實(shí)了這種信號(hào)敏感延逡逑

胞之間表達(dá)量的變化在早期和后期具有很大差別，轉(zhuǎn)錄因子Ｅｓｒｒｂ、ＵｔｆＫ邋Ｌｉｎ２８和Ｄｐｐａ２相比逡逑之前普遍認(rèn)為的重編程標(biāo)記物Ｆｂｘ0１５、Ｆｇｆ４和Ｏｃｔ４具有更強(qiáng)的預(yù)測(cè)多能干細(xì)胞狀態(tài)的能力。逡逑如圖１．５所示，他指出在重編程早期階段，這是一個(gè)具有隨機(jī)性的概率過(guò)程；而后期的基因表逡逑達(dá)則是Ｓｏｘ２處于基因表達(dá)上游的確定性的層級(jí)表達(dá)過(guò)程丨５０］。逡逑＾ｏｃｌＭＳｔＫ＂－邋ｐｒｏｔＭＭｌａｔｉｃ邋ｐｌｕｉ？ｅ邐＊＊０？！豢ｒｒｍｎｕｍｃ＊＊－邋ｈｔ＊ｒ？ｒｃｈｉｃ？ｌ邋ｐｈＭｅ逡逑ｏｆ邋ａｃｔｉｖａｔｉｏｎ邐ｏｆ邋＊ｃｔｉｖ？ｔｉｏｎ逡逑Ａ邐ｆ邐產(chǎn)邋ｃ逡逑？’吟７次？邐義：逡逑——＾逡逑Ａ邐＼邋求邋一￣？？春邋＾逡逑ＫＭ４邐？邐／逡逑＊邋栜逡逑圖１．５重編程過(guò)程的兩個(gè)可能階段：早期的隨機(jī)階段（Ａ和Ｂ）和后期確定性層級(jí)表達(dá)階段（Ｃ）丨５０］？逡逑２０１３年ＭａｃＡｒｔｈｕｒ提出多能狀態(tài)是一種干細(xì)胞群體的統(tǒng)計(jì)特征而不是單細(xì)胞水平上的定義，逡逑所以可以利用統(tǒng)計(jì)力學(xué)和信息論的工具來(lái)進(jìn)行分析。多能干細(xì)胞特有的松散調(diào)控結(jié)構(gòu)對(duì)ｍＲＮＡ逡逑或蛋白的表達(dá)只產(chǎn)生弱約束效果，這導(dǎo)致了細(xì)胞群體的高熵表達(dá)模式；但隨著分化的進(jìn)行和染逡逑色質(zhì)的濃縮，約束強(qiáng)度越來(lái)越大以及群體熵逐步降低。所以這個(gè)模型可以預(yù)測(cè)群體熵與其多能逡逑發(fā)展?jié)撃苷嚓P(guān)丨５１］。逡逑９逡逑
【學(xué)位授予單位】：華中師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：Q811.4

【參考文獻(xiàn)】

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1 肖名珍;謝瑞蓮;;Lin28B蛋白在人肺癌中表達(dá)及臨床意義[J];中國(guó)民康醫(yī)學(xué);2014年17期

2 谷俊東;滑峰;鐘殿勝;陳軍;劉紅雨;周清華;;肺癌家族聚集性的系統(tǒng)評(píng)價(jià)[J];中國(guó)肺癌雜志;2010年03期

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1 陳

本文編號(hào)：2637234