本文關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)錄因子TCF7L2相關(guān)的功能性基因調(diào)控元件研究

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【摘要】：基于后基因組時代的到來,計算機科學成為挖掘生物大數(shù)據(jù)內(nèi)部隱藏信息的最有效手段,結(jié)合分子生物學技術(shù),生物學已經(jīng)從“提出假說”步入“數(shù)據(jù)挖掘”階段,即整合海量的生物學數(shù)據(jù),從中發(fā)掘生物學規(guī)律和生命體特征。許多公眾數(shù)據(jù)資源,例如人類基因組計劃,為我們提供了大量全基因組水平上的開源性組學數(shù)據(jù),其目的在于借助新一代測序手段,更深層次的解開基因調(diào)控之謎。真核生物的基因表達調(diào)控主要發(fā)生在轉(zhuǎn)錄過程中,轉(zhuǎn)錄調(diào)控機制極其復雜,不僅涉及多種轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控,還會受到染色質(zhì)狀態(tài)影響。近年來研究表明,絕大多數(shù)表觀遺傳標記組合的改變會影響基因表達水平,在人類大多數(shù)生物進程中發(fā)揮重要作用。盡管目前有許多依靠計算生物學的方法用于解碼表觀遺傳標記組合的模式,或者稱之為“表觀遺傳密碼”,然而目前的算法在強調(diào)轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控的表觀遺傳標記模式注釋上仍然有一定的缺陷,不夠直觀的模擬并推測基因組的真實狀況。TCF7L2是WNT信號通路的重要組成,有報道TCF7L2和癌癥、2型糖尿病和躁郁癥等多種疾病具有較強的關(guān)聯(lián)性。異常表達的TCF7L2,使得WNT信號通路異常激活,這種分子水平的改變與多種癌癥的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。盡管之前的研究,在全基因組水平上識別出成千上萬個TCF7L2的結(jié)合位點,并且說明其結(jié)合位點是具有細胞特異性的,然而TCF7L2在不同的癌癥類型中,與其它表觀遺傳標記組合的模式特征尚未有人報道。本文以TCF7L2基因組學數(shù)據(jù)為主要研究對象,圍繞著其表觀遺傳標記組合模式的注釋和功能性調(diào)控元件的預測,首次從全基因組規(guī)模揭示轉(zhuǎn)錄因子相關(guān)的內(nèi)部增強子在調(diào)控基因水平中的細胞特異轉(zhuǎn)錄活性,并利用分子生物學手段驗證該基因調(diào)控元件的生物學功能。在整個研究過程中,主要進行了如下工作:1、以機器學習為基礎(chǔ),建立了一種新型的開源計算生物學方法,用于鑒別轉(zhuǎn)錄因子相關(guān)的表觀遺傳標記組合模式,整合命名為T-cep(Transcription factorassociated combinatorial epigenetic patterns)的軟件,并詳細描述了該工具的算法和工作流程。與其它常用軟件和方法相比,T-cep具備諸多自身獨有的特征,這些特征從算法上,確保訓練的樣品數(shù)據(jù)集信號純度符合基因組真實情況,在保持結(jié)果準確可靠的基礎(chǔ)上預測新的潛在的轉(zhuǎn)錄因子相關(guān)功能性基因調(diào)控元件。2、借助二代測序技術(shù),創(chuàng)建TCF7L2的基因組學數(shù)據(jù)集,并利用組學數(shù)據(jù)詳細評估T-cep的分析能力。結(jié)果顯示,我們所建立的方法成功注釋出三種TCF7L2相關(guān)功能性調(diào)控元件,包括一種新型的受TCF7L2調(diào)控的內(nèi)部增強子元件,這是其它軟件從未發(fā)現(xiàn)過的。之后我們詳細剖析MCF7和PANC1細胞中,三種TCF7L2相關(guān)的調(diào)控元件,即TCF7L2調(diào)控的啟動子,TCF7L2相關(guān)遠端增強子和TCF7L2調(diào)控的內(nèi)部增強子,我們發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄因子相關(guān)的內(nèi)部增強子的相關(guān)基因呈現(xiàn)出最高的基因表達水平,且在五種癌癥細胞系中具有細胞特異性。結(jié)合KEGG通路分析可以推測,TCF7L2調(diào)控的基因表達,在不同疾病類型的發(fā)展中起到關(guān)鍵性的推動作用。3、為了驗證上述推論,從TCF7L2相關(guān)內(nèi)部增強子和遠端增強子的基因列表中選取17個基因,利用si RNA抑制、共轉(zhuǎn)染、逆轉(zhuǎn)錄定量聚合酶鏈反應(RTq PCR)和熒光素酶報告基因檢測等手段,進行推論驗證性研究。驗證結(jié)果不僅證實了T-cep軟件分析預測的準確性和有效性,同時也證明了在兩種特異性的癌癥細胞,MCF7和PANC1細胞中,TCF7L2調(diào)控的增強子轉(zhuǎn)錄功能強弱的差異性。4、為了評估此方法的廣泛適用性,我們以MYC的組學數(shù)據(jù)為實驗材料,注釋出MYC相關(guān)的功能性基因調(diào)控元件,得到的表觀遺傳標記模式特征與TCF7L2組學數(shù)據(jù)訓練得到的表觀遺傳標記模式極為相似。我們進一步選取在該領(lǐng)域最具代表性的工具——Chrom HMM與T-cep來進行對比,Chrom HMM不僅界面友好,而且在功能性基因調(diào)控元件聚類鑒定中作用強大。分別利用Chrom HMM處理TCF7L2和MYC的組學數(shù)據(jù)后,與我們的方法相對比發(fā)現(xiàn),Chrom HMM可以發(fā)現(xiàn)更多種非轉(zhuǎn)錄因子相關(guān)基因調(diào)控元件的表觀遺傳標記組合模式變體,而發(fā)現(xiàn)的轉(zhuǎn)錄因子相關(guān)的功能性調(diào)控元件種類很少,無論在TCF7L2組學數(shù)據(jù)集還是MYC數(shù)據(jù)集中,都沒有注釋出轉(zhuǎn)錄因子相關(guān)的內(nèi)部增強子。我們的方法則既可以有效注釋出非轉(zhuǎn)錄因子相關(guān)的基因調(diào)控元件,同時也發(fā)現(xiàn)更多的轉(zhuǎn)錄因子相關(guān)功能性基因調(diào)控元件。
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：R3416
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本文編號：1267513