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(shí)代的到來,計(jì)算機(jī)科學(xué)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(xué)技術(shù),生物學(xué)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(xué)數(shù)據(jù),從中發(fā)掘生物學(xué)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(jì)劃,為我們提供了大量全基因組水平上的開源性組學(xué)數(shù)據(jù),其目的在于借助新一代測(cè)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(dá)調(diào)控主要發(fā)生在轉(zhuǎn)錄過程中,轉(zhuǎn)錄調(diào)控機(jī)制極其復(fù)雜,不僅涉及多種轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控,還會(huì)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(biāo)記組合的改變會(huì)影響基因表達(dá)水平,在人類大多數(shù)生物進(jìn)程中發(fā)揮重要作用。盡管目前有許多依靠計(jì)算生物學(xué)的方法用于解碼表觀遺傳標(biāo)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(qiáng)調(diào)轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控的表觀遺傳標(biāo)記模式注釋上仍然有一定的缺陷,不夠直觀的模擬并推測(cè)基因組的真實(shí)狀況。TCF7L2是WNT信號(hào)通路的重要組成,有報(bào)道TCF7L2和癌癥、2型糖尿病和躁郁癥等多種疾病具有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。異常表達(dá)的TCF7L2,使得WNT信號(hào)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(shí)別出成千上萬個(gè)TCF7L2的結(jié)合位點(diǎn),并且說明其結(jié)合位點(diǎn)是具有細(xì)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(biāo)記組合的模式特征尚未有人報(bào)道。本文以TCF7L2基因組學(xué)數(shù)據(jù)為主要研究對(duì)象,圍繞著其表觀遺傳標(biāo)記組合模式的注釋和功能性調(diào)控元件的預(yù)測(cè),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(qiáng)子在調(diào)控基因水平中的細(xì)胞特異轉(zhuǎn)錄活性,并利用分子生物學(xué)手段驗(yàn)證該基因調(diào)控元件的生物學(xué)功能。在整個(gè)研究過程中,主要進(jìn)行了如下工作:1、以機(jī)器學(xué)習(xí)為基礎(chǔ),建立了一種新型的開源計(jì)算生物學(xué)方法,用于鑒別轉(zhuǎn)錄因子相關(guān)的表觀遺傳標(biāo)記組合模式,整合命名為T-cep(Transcription factorassociated combinatorial epigenetic patterns)的軟件,并詳細(xì)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(dú)有的特征,這些特征從算法上,確保訓(xùn)練的樣品數(shù)據(jù)集信號(hào)純度符合基因組真實(shí)情況,在保持結(jié)果準(zhǔn)確可靠的基礎(chǔ)上預(yù)測(cè)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(cè)序技術(shù),創(chuàng)建TCF7L2的基因組學(xué)數(shù)據(jù)集,并利用組學(xué)數(shù)據(jù)詳細(xì)評(píng)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(qiáng)子元件,這是其它軟件從未發(fā)現(xiàn)過的。之后我們?cè)敿?xì)剖析MCF7和PANC1細(xì)胞中,三種TCF7L2相關(guān)的調(diào)控元件,即TCF7L2調(diào)控的啟動(dòng)子,TCF7L2相關(guān)遠(yuǎn)端增強(qiáng)子和TCF7L2調(diào)控的內(nèi)部增強(qiáng)子,我們發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄因子相關(guān)的內(nèi)部增強(qiáng)子的相關(guān)基因呈現(xiàn)出最高的基因表達(dá)水平,且在五種癌癥細(xì)胞系中具有細(xì)胞特異性。結(jié)合KEGG通路分析可以推測(cè),TCF7L2調(diào)控的基因表達(dá),在不同疾病類型的發(fā)展中起到關(guān)鍵性的推動(dòng)作用。3、為了驗(yàn)證上述推論,從TCF7L2相關(guān)內(nèi)部增強(qiáng)子和遠(yuǎn)端增強(qiáng)子的基因列表中選取17個(gè)基因,利用si RNA抑制、共轉(zhuǎn)染、逆轉(zhuǎn)錄定量聚合酶鏈反應(yīng)(RTq PCR)和熒光素酶報(bào)告基因檢測(cè)等手段,進(jìn)行推論驗(yàn)證性研究。驗(yàn)證結(jié)果不僅證實(shí)了T-cep軟件分析預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性和有效性,同時(shí)也證明了在兩種特異性的癌癥細(xì)胞,MCF7和PANC1細(xì)胞中,TCF7L2調(diào)控的增強(qiáng)子轉(zhuǎn)錄功能強(qiáng)弱的差異性。4、為了評(píng)估此方法的廣泛適用性,我們以MYC的組學(xué)數(shù)據(jù)為實(shí)驗(yàn)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(biāo)記模式特征與TCF7L2組學(xué)數(shù)據(jù)訓(xùn)練得到的表觀遺傳標(biāo)記模式極為相似。我們進(jìn)一步選取在該領(lǐng)域最具代表性的工具——Chrom HMM與T-cep來進(jìn)行對(duì)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(qiáng)大。分別利用Chrom HMM處理TCF7L2和MYC的組學(xué)數(shù)據(jù)后,與我們的方法相對(duì)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(biāo)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(xué)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(qiáng)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(shí)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(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：R3416
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本文編號(hào)：1267513