基因调控网络

摘要： 背景:类风湿性关节炎为自身免疫性疾病,研究其发病机制并进行相应的靶向治疗是目前主要的研究方向。目的:对类风湿性关节炎滑膜炎基因芯片数据进行生物信息学分析,寻找差异基因,建立和完善类风湿性关节炎的基因调控网络。方法:利用GEO2R对数据库中筛选出的类风湿性关节炎芯片进行基因差异表达分析,使用R语言及DAVID对差异基因进行基因本体论富集分析和DAVID功能富集分析,String数据库进行蛋白网络互作分析,Cystoscape软件获取关键基因,实时荧光定量PCR和Western blot对部分关键靶基因进行实验验证。结果与结论:(1)类风湿性关节炎患者的滑膜组织中2064个基因呈差异性表达,其中上调基因625个,下调基因1439个;(2)差异基因主要涉及免疫反应激活细胞表面受体信号通路和抗原受体介导的信号通路等生物反应;(3)根据蛋白互作网络分析筛选出10个关键靶基因,包括表皮生长因子受体(epidermal growth factor receptor,EGFR)、MYC、RELA、ITGB2、LCK、EPHB2、IRF4、NRAS、FN1、MAPK1;(4)基于蛋白互作网络的蛋白互作线数量与Cystoscape算法评分得到EGFR、MYC、RELA、ITGB2、LCK五个显著性较高的基因,并对其进行实验验证;(5)实时荧光定量PCR和Western blot实验结果表明,类风湿性关节炎组滑膜组织中EGFR、MYC、RELA、ITGB2、LCK基因的mRNA和蛋白表达水平较对照组滑膜组织显著增高,其中EGFR最为显著;(6)提示膝关节类风湿性关节炎滑膜组织有明显不同的基因表达特征,其中EGFR是类风湿性关节炎滑膜组织最有价值的差异表达基因。

摘要： 基因调控网络(GRNs)及其动力学模型的研究在后基因组时代是一个重要的研究领域.定性分析基因调控网络及其动力学对系统地认识生物体具有重要意义.该文提出了一类具有时变时滞和Markov切换的随机基因调控网络模型,研究了其均方同步和随机无源同步问题.通过设计合适的Lyapunov-Krasovskii泛函(LKF),并利用Lyapunov稳定性理论、线性矩阵不等式方法和随机分析技巧,得到了均方同步和随机无源同步的充分条件.此外,通过与其他文献进行比较,显示了该文结果的理论价值.数值模拟验证了所得充分条件的有效性.

摘要： 神经嵴细胞(neural crest cells,NCCs)是一类脊椎动物特有的可迁移的多能干细胞,其可分化为软骨细胞、神经元和黑色素细胞等多种类型细胞。NCCs的形成、迁移和分化受到严格调控,任何扰乱NCCs发育的因素都可导致胚胎发育畸形。由神经嵴细胞发育异常所导致的一系列疾病统称为神经嵴病(neurocristopathies,NCPs)。NCPs种类繁多且表型复杂,可累及人体多个部位(颅面部、心脏、肠胃和皮肤等),严重危害患者的身体机能和心理健康。NCPs占所有出生缺陷患儿的1/3,遗传因素是导致NCPs的主要风险因素,但环境风险因子以及基因–环境交互作用异常也可导致NCPs。本文对神经嵴细胞和神经嵴病及其致病机制进行综述,为系统认知神经嵴细胞发育以及神经嵴病提供参考,为了解神经嵴病的病因以及开展有效防控提供科学支撑。

摘要： 针对传统的基因调控网络模型会导致机器人群体聚合形态在三维空间中不具备泛化性的问题,提出一种基于三维基因调控网络的智能机器人群体聚合与控制方法,并针对集群围捕任务测试了该方法在三维空间复杂场景下的表现.在此基础上使用V-rep平台来模拟真实场景,验证了在加入物理特性后该模型的效能.仿真结果表明,该方法在复杂场景下具有良好的表现.

摘要： 造血干细胞通过分化获得不同的成熟血细胞类型以满足不同的生理需求.通过整合两个已有的基因调控网络并进行修正,构建了综合调控网络以及对应的逻辑模型,可以更全面地反映不同基因在造血干细胞分化过程中的作用.该网络的稳态结果包含了两个小网络中涉及的大部分细胞类型,与实际的ChIP-seq数据结果一致.对综合调控网络进行瞬态扰动与持续扰动,分析了6种主要细胞类型之间正常分化所需要的最简扰动策略.获得的整合调控网络与逻辑模型可以为理解造血干细胞的分化特异性选择提供一些定性的参考依据,同时分析得到的扰动策略可以为实际的细胞培养实验提供一些方案上的建议.

摘要： 目的:黄芩中主要活性成分黄酮类化合物的生物合成途径已解析,但相关调控机制研究薄弱。本研究基于黄芩全基因组对SbMYB转录因子进行系统鉴定和分析,筛选可能参与黄酮类化合物生物合成的候选SbMYB家族成员。方法:通过HMMER和BLAST筛选SbMYB转录因子;采用IQ-TREE、ExPASy、GSDS、TBtools、Cytoscape等在线工具和软件对SbMYB家族的进化关系、基因结构、基因表达模式、蛋白调控网络等进行生物信息学分析。结果:全基因组水平上共鉴定到146个SbMYB转录因子,分为4个亚族和1个未分族成员,R2R3-MYB亚族成员最多(116个);SbMYB基因结构较为保守,随机分布在9条染色体上;同一亚族有相似的MYB保守结构域和基序组成;SbMYB在根、茎、叶中具有相似的表达模式,与花中差异较大;SbMYB与黄酮合成相关结构基因的蛋白质-蛋白质相互作用分析筛选到43个SbMYB可能调控黄酮合成途径关键酶。结论:MYB转录因子调控植物次生代谢合成,本研究系统分析黄芩MYB转录因子家族并筛选可能参与黄酮类化合物生物合成的候选基因,为其调控机制研究奠定基础。

摘要： 针对基因表达数据维度高,冗余基因多等问题,提出了一种基于C3NET和图滤波器的基因特征选择算法。利用C3NET算法推断出基因表达数据的基因调控网络,得到基因之间的调控关系。将基因表达数据中的基因建模为图上节点,每个基因的基因数据建模为图信号,将得到的基因调控网络建模为邻接矩阵,计算该基因调控网络的图拉普拉斯矩阵和图傅里叶变换,并且提出了一种基于图傅里叶变换的基因分类能力的评估方法,计算每个基因的分类能力。设计了高通图滤波器对基因数据进行滤波,根据计算得到的基因的分类能力,筛选出滤波后分类能力高的基因。仿真实验结果表明,与现有的基因选择算法相比,本算法筛选出的基因分类能力更高,在不同的分类器中均能保持较高的分类准确率。

摘要： 浙江大学基础医学院郭国骥和韩晓平教授团队长期致力于单细胞测序与细胞命运决定的相关研究,近期团队对小鼠七个重要发育阶段的十个重要组织进行了单细胞转录组分析,跨越了胚胎早期到成年成熟期,获得超过520 000个单细胞转录组数据,描绘了小鼠谱系发育和成熟过程的细胞状态流形图,并揭示了控制细胞命运决定的基因调控网络。相关研究论文“Systematic identification of cell-fate regulatory programs using a single-cell atlas of mouse development”(DOI:10.1038/s41588-022-01118-8)于2022年7月11日在线发表于《自然·基因》(Nature Genetics)。

摘要： 颅面部赋予脊椎动物无与伦比的进化优势,其由颅神经嵴细胞发育而来的骨、软骨、神经、肌肉等组织组成,使脊椎动物具备了复杂的神经和感官系统。神经嵴细胞是脊椎动物特有的具备迁移性、多能性的细胞类群,它们在增殖、迁移、分化过程中受到多个基因网络的时序调控,从而参与复杂颅面部的形成。同时,颅面部又是一组高度可遗传的表型组合,并具有两个特征:在亲缘后代中的可遗传性及在不同个体间的高度可变性,这两个特征分别提示了颅神经嵴细胞发育调控网络的精准性和可塑性。调控网络内基因适度突变会改变颅神经嵴细胞的增殖和分化从而产生表型可塑性,而有害的遗传突变则将导致畸形产生。本文梳理了对颅面部发育起决定作用的神经嵴细胞的发育过程及基因调控网络,在遗传层面总结了已知的颅面部表型多样性的决定基础和颅面畸形的致病机制,以期为了解颅面部发育过程以及为颅面疾病的防控提供全面认知。

摘要： 尿道下裂是一种较常见的男性先天性生殖器畸形,主要表现为尿道开口部位异常伴阴茎下弯畸形,影响患儿排尿及成年后性功能及生育力.目前,手术矫正是唯一的治疗措施,但术后并发症较多,手术失败率高,易造成尿道下裂残废.其发病机制尚未明确,研究表明造成尿道下裂的病因有很多种,主要包括遗传、内分泌及环境因素等.有多篇文献报道,Y染色体性别决定区(SRY)基因与性别分化及生殖器官的发育密切相关.SRY基因的缺失与突变可导致性发育的一系列异常改变,尿道下裂的发生可能与SRY基因的缺失、变异有关.由于SRY基因与男性生殖系统关系密切,所以该基因的研究也备受男性生殖方面学者的关注.但SRY基因与尿道下裂疾病的易感性相关研究报道仍然比较少,有的研究报道需要进一步验证.该文对SRY基因与尿道下裂的相关性作一综述.

摘要： 针对工业设计中评价与决策相关的复杂问题,结合在产品设计中已经取得一定研究成果的产品基因理论,借鉴近期在生物学科中取得突破的基因调控网络(GRN)方法,以2008-2013年间“中国五金产品工业设计大赛”1376件保温杯参赛作品作为研究载体,对作品的设计要素进行编码,以设计要素为节点,以要素间的相互关系为边,构建产品GRN.通过网络分析软件识别关键节点以及节点集团,得到入围作品和获奖作品的统计学特征,并对保温杯的设计提出合理建议.通过将GRN方法在工业设计领域的引入,实现了设计评价中的隐性因素显性化的过程,对设计师的设计工作提供高效而明晰的辅助.

摘要： 从系统科学、生物信息学、统计学和多尺度思想等角度出发,以高原习服微进化多基因调控网络渐变过程为生物学背景,探讨基于多尺度和状态描述方法(SRM)的基因调控网络状态随机变量的建立、计算、分析评估的思想与方法.本文介绍了基于SRM方法的线粒体差异表达基因筛选方法、基于SRM方法和Voterra模型的基因调控网络建立的基本思想与分析过程,重点探讨了微进化多基因调控网络状态描述的SRM方法非线性逼近原理和演化分析过程;为生物信息学的发展和基因表达数据分析技术提供新的思路和方法.

摘要： 基因调控网络是建立在包括分子生物学,非线性数学和计算机程序算法设计等知识基础上,运用生物信息学的方法和技术,通过数据采集、分析、建模、模拟和推断等手段研究复杂的网络关系,是生物学、数学、信息学三大学科交叉的产物,是后基因组时代研究的重要内容.基因调控网络的研究以系统的观点,定量的研究方法,在基因组层次上鉴别控制复杂性状的基因及基因网络并理解基因间的调控机理,从基因之间相互作用的角度揭示生命现象.逆向工程是构建基因调控网络的重要方法之一.本文论述了逆向工程的应用，并就逆向工程构建基因调控网络的模型进行探讨.

摘要： 目的 基于基因表达的时空特性，寻求一种新的描述基因调控网络的生物动力学方程模型。方法 从生物物种竞争动力学系统的角度出发，提出一种新的Lotka-Volterra微分方程模型，并应用于基因的时间序列表达数据。结果 将建立的微分方程应用于酵母基因的表达调控网络研究，得到了调控关系的预测结果，并与试验结果进行了比较研究。结论 本研究的预测结果与试验结果基本吻合，该模型弥补了其他模型的不足，是一种新的有价值的基因表达时空微分方程模型。

摘要： 猪沙门氏菌病(Salmonellosis)是由沙门氏菌引起的一种危害仔猪生产的传染病。沙门氏菌是导致人类细菌性食物中毒的首要原因,其发生率高居各类细菌性食物中毒的前列。所以，从感染基因组学(infectogenomics)角度研究沙门氏菌感染后猪病灶器官中免疫相关基因的调控网络，将有助于从免疫组水平理解沙门氏菌病的分子病理机制，其结果可为猪的抗病性研究积累有价值的参考资料，亦可为人类沙门氏菌病的研究提供重要的医学模型。

摘要： 为有效进行大数据量单基因扰动的生物学实验,基于自适应灰关联聚类算法,提出一个并行自适应灰关联聚类算法,并行处理大数据量的单基因扰动,并建立相应的基因调控网络.计算结果表明,该并行算法具有很好的并行性能.

摘要： 现代生命科学对于基因功能的研究呈现出两个明显的特点和趋势，一是更加注重阐明基因作为完整分子机器的一个组分其功能和作用;另一方面是从更加系统的层面上关注基因的全局性调控作用。基因网络的研究首先是从微观的分子水平剖析基因的功能，同时又是从整体的系统水平上研究生物大分子间的相互作用机制，正好兼顾了这两个方面的特点。因此，基因网络的研究己经成为当代生命科学的主流领域之一。

摘要： 在各种类型的生物中，DNA序列所蕴藏的遗传信息通过转录与翻译转变为具有生物活性的蛋白质，这一过程称为基因表达(gene regulation)。本文介绍了基因调控网络的特性，分析了系统生物学，浅谈了基因调控网络多尺度现象，探讨了多尺度研究内容和思路。

摘要： 重症胰腺炎(SP)是外科急危重症之一,发病急、变化快、并发症多,死亡率在15-25%。基因多态性问题目前困扰着SP及其并发症的治疗。应用基因芯片方法动态检测SP变化过程中机体miRNA表达变化，确定基因调控网络，协助诊断并筛选治疗手段是目前国内外生物学界的领先技术。miRNA作为重要的调控因子尽管在疾病方面的研究仅限于个别少数器官，但已经有几个miRNA分子在动物体内的靶点被发现并趋于公认。miRNA在SP方面的研究尚属空自，在临床我们比较了SP病人与健康人之问血清miRNA分子表达的差异，初步发现特异性miRNA。因此，我们有理由推测通过本课题的研究可以筛选出SP发生发展过程中起重要作用的miRNA及其基因调控网络。本项研究拟建立起这种富有时代感的高新研究模式和技术，为其它疾病的基因调控研究，并在此基础上的诊断与治疗研究提供技术参考。

摘要： 本文从动物门类的化石首次出现、分异演化时间、环境变化、发育基因调控网路以及生态效应等几个方面来讨论它们与寒武纪大爆发的因果关系.动物与动物之间以及动物与环境之间，复杂生态关系的建立也是寒武纪大爆发的结果而不是原因。不可否认，生态效应的积极反馈作用可以促进生物多样性增长。寒武纪大爆发是由环境变化突破关键约束而导致的以后生动物为主导的海洋生态系统的初次建立，通过“生态雪球”效应连锁反应得以实现。

摘要： 本发明公开了一种基于线性模型的基因共调控网络中关键调控子识别方法，利用基因表达谱数据和基因调控关系数据，通过构建线性模型预测已知疾病基因的表达来完成基因共调控网络中关键调控子的识别。本发明实现简单，只需根据基因表达谱数据和基因调控关系就能比较准确地识别出基因共调控网络中的关键调控子，并且通过实验证明识别的调控子具有很重要的生物意义，对于疾病机制的研究具有重要的理论意义和实用价值。

摘要： 本发明公开了一种由大规模基因芯片表达谱数据构建基因调控亚网络的方法。包括如下步骤：1)基因芯片表达谱缺失数据值估计；2)利用贝叶斯网络构建基因间的调控网络；3)对原始的表达数据重新抽样，重复步骤2)，得到一个可能的贝叶斯网络的集合；4)统计分析网络特征，重构显著性的亚网络模块。本发明实现从大规模基因芯片实验数据中获取多个基因间调控关系，这个结果是传统生物学实验无法得到的；它在一定程度上弥补了芯片数据不足而导致贝页斯网络学习噪音比较大的缺点。通过构建小的亚网络，在一定程度上来说，紧密调控基因之间的关系可以通过一致图的方法来对那些不是直接调控的基因间关系去噪。得到的亚网络为下步的生物学实验提供更好指导。

摘要： 一类能够封闭人类细胞缺氧反应途径的染色质肽药物分子，该类分子是相关转录因子的DNA亲和结构域序列或它们的仿生分子或衍生物，包含5-100个氨基酸残基，它们能够特异性牢固地结合到HIF-1α基因自身启动子或其表达的转录因子驱动的超过40个下游基因启动子上，所述分子可长久地关闭包括细胞糖酵解反应和/或免疫发炎反应和/或血管发生反应的细胞缺氧反应的分子途径，从而长期关闭晚期癌症细胞或者慢性炎症细胞在缺氧条件下无控制增殖。

摘要： 本发明公开了一种基于线性模型的基因共调控网络中关键调控子识别方法，利用基因表达谱数据和基因调控关系数据，通过构建线性模型预测已知疾病基因的表达来完成基因共调控网络中关键调控子的识别。本发明实现简单，只需根据基因表达谱数据和基因调控关系就能比较准确地识别出基因共调控网络中的关键调控子，并且通过实验证明识别的调控子具有很重要的生物意义，对于疾病机制的研究具有重要的理论意义和实用价值。

摘要： 本发明提供一种基于基因表达数据的基因调控网络重构方法，涉及生物信息学中基因调控网络重构技术领域。该方法包括：获得重构所需基因表达量数据；对数据进行归一化处理；对目标基因表达量预测建模；预测目标基因表达量；分析输入特征基因与目标基因调控关系；基因调控网络重构。本发明提供的一种基于基因表达数据的基因调控网络重构方法，能够根据基因表达数据实现高精度基因调控网络建模，使用差分进化算法优化的Elman神经网络预测基因的表达量，具有运算速度快，精度高的优点，另外，使用模拟数据能够解决数据量不足的问题，使最终所建立的基因调控网络具有良好的准确性，其适用范围广，可适用于不同的基因表达数据，具有良好可移植性。

摘要： 本发明公开了一种利用单细胞转录和基因敲除数据推断基因调控网络的方法，通过分析基因敲除前后的稳态表达数据对基因进行分类，作为先验知识以降低时空复杂度并提升推断准确度；利用单细胞转录数据计算基因间分布距离，结合基因分类的结果为每个基因建立多时间点的多维回归模型，采用数学方法计算模型中的关系因子；对基因敲除数据进行相应的算法分析以去除部分假阳性判断，弥补分析动态数据的缺陷；本发明有效解决了分析时间序列单细胞数据中高计算复杂度的问题，提升了推断基因调控网络的准确度。

摘要： 本发明涉及一种基于跨平台基因表达数据的基因调控网络重建方法，根据跨平台基因表达数据的特点，通过获取来自p个测序平台基因表达数据，并进行预处理，然后从每个基因样本中抽取n个基因表达量，并基于偏相关系数的混合型条件独立性测试得到每个基因表达量的父子节点集，将其应用于跨平台因果网络结构学习的学习网络骨架、确定v‑结构和最大化标志方向三个过程中，从而重建出跨平台基因调控网络，本发明利用因果图模型解决跨平台基因调控网络的问题，能直接有效地利用跨平台基因表达数据进行高维的基因调控网络重建的同时，避免数据预处理过程导致的数据过度平滑等问题，提高了跨平台基因调控网络重建结果的正确率和召回率。

摘要： 本发明公开了一种利用单细胞转录和基因敲除数据推断基因调控网络的方法，通过分析基因敲除前后的稳态表达数据对基因进行分类，作为先验知识以降低时空复杂度并提升推断准确度；利用单细胞转录数据计算基因间分布距离，结合基因分类的结果为每个基因建立多时间点的多维回归模型，采用数学方法计算模型中的关系因子；对基因敲除数据进行相应的算法分析以去除部分假阳性判断，弥补分析动态数据的缺陷；本发明有效解决了分析时间序列单细胞数据中高计算复杂度的问题，提升了推断基因调控网络的准确度。

摘要： 本发明提供一种基于基因表达数据的基因调控网络重构方法，涉及生物信息学中基因调控网络重构技术领域。该方法包括：获得重构所需基因表达量数据；对数据进行归一化处理；对目标基因表达量预测建模；预测目标基因表达量；分析输入特征基因与目标基因调控关系；基因调控网络重构。本发明提供的一种基于基因表达数据的基因调控网络重构方法，能够根据基因表达数据实现高精度基因调控网络建模，使用差分进化算法优化的Elman神经网络预测基因的表达量，具有运算速度快，精度高的优点，另外，使用模拟数据能够解决数据量不足的问题，使最终所建立的基因调控网络具有良好的准确性，其适用范围广，可适用于不同的基因表达数据，具有良好可移植性。

摘要： 本发明涉及一种基于跨平台基因表达数据的基因调控网络重建方法，根据跨平台基因表达数据的特点，通过获取来自p个测序平台基因表达数据，并进行预处理，然后从每个基因样本中抽取n个基因表达量，并基于偏相关系数的混合型条件独立性测试得到每个基因表达量的父子节点集，将其应用于跨平台因果网络结构学习的学习网络骨架、确定v‑结构和最大化标志方向三个过程中，从而重建出跨平台基因调控网络，本发明利用因果图模型解决跨平台基因调控网络的问题，能直接有效地利用跨平台基因表达数据进行高维的基因调控网络重建的同时，避免数据预处理过程导致的数据过度平滑等问题，提高了跨平台基因调控网络重建结果的正确率和召回率。