專利名稱：一種構(gòu)建雞肌肉肌苷酸合成途徑相關(guān)關(guān)鍵酶基因網(wǎng)絡(luò)調(diào)控方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于動(dòng)物育種學(xué)、發(fā)育生物學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)領(lǐng)域。涉及一種利用表達(dá)譜數(shù)據(jù)及相關(guān)生物信息工具分析和構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)調(diào)控的方法。
背景技術(shù)：
涉及肌苷酸(MP)合成通路中分子調(diào)控機(jī)理方面，一般而言，在整個(gè)MP合成通路中，特別是第一階段形成咪唑五元環(huán)和第二階段的形成嘧啶六元環(huán)的過(guò)程中，關(guān)鍵酶的調(diào)控是導(dǎo)致表達(dá)水平差異的主要原因。然而，在MP合成途徑的關(guān)鍵酶方面研究較少，通過(guò)地方雞種肌苷酸含量相關(guān)候選基因SNP (single nucleotide polymorphism)篩查,發(fā)現(xiàn)腺苷琥珀酸裂解酶基因I (ADSL)位點(diǎn)可以作為肌肉MP含量的輔助選擇標(biāo)記，甘氨酰胺核苷酸合成酶(GARS)、5-氨基咪唑核苷酸合成酶(AIRS)和甘氨酰胺核苷酸轉(zhuǎn)甲基酶(GART)基因(GARS-AIRS-GART)合并基因型對(duì)雞的肉質(zhì)風(fēng)味性狀可進(jìn)行標(biāo)記輔助選擇。并發(fā)現(xiàn)在白耳雞的不同生長(zhǎng)階段(3，6，9，12和15周齡)不同組織中ADSL和GARS-AIRS-GART mRNA都被檢測(cè)到，并且在所有組織中表達(dá)量的變化趨勢(shì)基本一致。ADSL在肝臟中的表達(dá)量最高，在大腸中表達(dá)量最低。GARS-AIRS-GART在腎臟中的表達(dá)量最高，在腿肌，心臟，大腸，小腸中的表達(dá)量也較高，在胸肌中表達(dá)量最低。另外，除ADSL，GARS-AIRS-GART外，PPAT、PAICS (AIRC)和AMPD也被證實(shí)在MP表達(dá)水平差異方面起著調(diào)控作用。綜上，在MP的表達(dá)差異方面，關(guān)鍵酶起著決定性作用，但由于MP的合成涉及到多個(gè)關(guān)鍵酶及相應(yīng)的纖連蛋白、粘附分子與細(xì)胞因子等，而且每個(gè)關(guān)鍵酶的調(diào)控存在互作關(guān)聯(lián)，所以有必要對(duì)整個(gè)關(guān)鍵酶的調(diào)控體系和相互作用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究，即對(duì)DNA-蛋白質(zhì)信息貯存與表達(dá)調(diào)控模式進(jìn)行探討。在此網(wǎng)絡(luò)中，轉(zhuǎn)錄水平的基因表達(dá)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)由于目標(biāo)明確，分析模式清晰，效果準(zhǔn)確等優(yōu)勢(shì)，更能直接地反映遺傳性狀表達(dá)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的效應(yīng)，更好地幫助我們理解復(fù)雜的分子或細(xì)胞過(guò)程機(jī)理，倍受青睞，正逐漸成為國(guó)際熱點(diǎn)研究課題。就調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者均已經(jīng)開展了大量相關(guān)研究工作?，F(xiàn)有調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)資料主要來(lái)源于對(duì)大腸桿菌、釀酒酵母和線蟲的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的研究。有學(xué)者基于實(shí)驗(yàn)的基因組定位分析方法，構(gòu)建了轉(zhuǎn)錄因子啟動(dòng)子結(jié)合網(wǎng)絡(luò)，以此推導(dǎo)出調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。然而，定位分析實(shí)驗(yàn)方法只適用于特定的實(shí)驗(yàn)條件，在其它實(shí)驗(yàn)條件下，該方法可能失效。迄今為止，各種統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)挖掘工具已經(jīng)用于發(fā)現(xiàn)基因表達(dá)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。其中普遍使用的有代表性的模型包括:①基于相關(guān)系數(shù)的網(wǎng)絡(luò)模型。②基于條件概率的網(wǎng)絡(luò)模型。它是一個(gè)用來(lái)描述一系列隨機(jī)變量之間的條件獨(dú)立性的一種方向性模型。③基于時(shí)間序列的網(wǎng)絡(luò)模型。它是針對(duì)很多時(shí)間序列的基因芯片數(shù)據(jù)而開發(fā)的，包括動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型和事件模型，需要設(shè)置很多參數(shù)。④根據(jù)基因擾動(dòng)(Gene Perturbation)數(shù)據(jù)來(lái)推導(dǎo)基因調(diào)控關(guān)系。為了避免計(jì)算復(fù)雜性問(wèn)題，把基因表達(dá)數(shù)據(jù)、DNA序列和功能注釋整合成一個(gè)可以理解的模型，以構(gòu)建基因表達(dá)轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。此外，利用基因表達(dá)數(shù)據(jù)、啟動(dòng)子序列和轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)數(shù)據(jù)來(lái)構(gòu)建轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。這種方法需要假設(shè)數(shù)據(jù)滿足正態(tài)分布，而這種假設(shè)還沒有得到證實(shí)，導(dǎo)致所得結(jié)果的可信度不高。因此，針對(duì)具體的生物學(xué)事件，發(fā)展更加適用的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法是一項(xiàng)十分重要的研究工作。本研究以我國(guó)地方雞種如皋黃雞為素材，構(gòu)建MP合成途徑中8個(gè)關(guān)鍵酶的寡核苷酸探針(公知)，在分子雜交的基礎(chǔ)上篩選出基于RNA水平上的調(diào)控模型，揭示風(fēng)味物質(zhì)一頂P合成關(guān)鍵酶在轉(zhuǎn)錄水平上的表達(dá)差異，意義在于:①探明MP合成途徑中關(guān)鍵酶之間的相互作用機(jī)理，明確調(diào)控網(wǎng)絡(luò)模型(立體式網(wǎng)絡(luò)或級(jí)聯(lián)式網(wǎng)絡(luò))；②通過(guò)不同模式網(wǎng)絡(luò)的篩選，建立RNA介導(dǎo)的MP的不同時(shí)空表達(dá)的網(wǎng)絡(luò)調(diào)控模型，從分子水平上認(rèn)識(shí)細(xì)胞、組織的功能；③我國(guó)具有豐富雞品種遺傳資源，這些資源是我國(guó)養(yǎng)雞業(yè)可持續(xù)發(fā)展的基石，尤其是地方雞種良好的肉品質(zhì)、獨(dú)特的風(fēng)味將會(huì)成為未來(lái)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中新的支撐點(diǎn)。闡明適合我國(guó)地方雞種主要風(fēng)味物質(zhì)-MP的種間和時(shí)空表達(dá)差異的分子機(jī)理，為“優(yōu)質(zhì)雞”的培育和產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供理論依據(jù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是構(gòu)建IMP合成途徑中8個(gè)關(guān)鍵酶的寡核苷酸探針，在分子雜交的基礎(chǔ)上篩選出基于RNA水平上的調(diào)控模型。本發(fā)明是在如皋黃雞基因芯片(本實(shí)驗(yàn)所用表達(dá)譜芯片是根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要定制的雞表達(dá)譜芯片，使用哪些探針等設(shè)計(jì)方案是定制的，但是其探針本身的序列號(hào)以及探針本身的堿基序列都是安捷倫公司生產(chǎn)商業(yè)化雞表達(dá)譜芯片所用探針，其設(shè)計(jì)方案和注釋信息可在安捷倫公司的官方網(wǎng)站上中查詢)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用Perl語(yǔ)言和皮爾森系數(shù)方程求解相關(guān)基因間線性關(guān)系，結(jié)合Cytoscape和GO將影響肌肉組織中肌苷酸關(guān)鍵酶相關(guān)基因的網(wǎng)絡(luò)調(diào)控圖進(jìn)行了分析，構(gòu)建了影響MP合成途徑中關(guān)鍵酶基因網(wǎng)絡(luò)調(diào)控圖，以期探明肌肉組織中MP合成途徑中關(guān)鍵酶之間的相互作用機(jī)理。本發(fā)明一種構(gòu)建雞肌肉肌苷酸合成途徑相關(guān)關(guān)鍵酶基因網(wǎng)絡(luò)調(diào)控方法，首先是建立肌苷酸相關(guān)基因的數(shù)據(jù)集，計(jì)算各基因的權(quán)重模型，初步選擇基因表達(dá)調(diào)控，其次是求相關(guān)系數(shù)并求解，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)圖，最后是結(jié)合建立的整數(shù)非線性規(guī)劃模型，并基于KEGG數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建肌苷酸相關(guān)基因的網(wǎng)絡(luò)調(diào)控圖。本發(fā)明方法的具體步驟如下:(I)建立肌苷酸相關(guān)基因的數(shù)據(jù)集:從24張肌肉組織芯片(本實(shí)驗(yàn)所用表達(dá)譜芯片是根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要定制的雞表達(dá)譜芯片，使用哪些探針等設(shè)計(jì)方案是定制的，但是其探針本身的序列號(hào)以及探針本身的堿基序列都是安捷倫公司生產(chǎn)商業(yè)化雞表達(dá)譜芯片所用探針，其設(shè)計(jì)方案和注釋信息可在安捷倫公司的官方網(wǎng)站上中查詢)中獲得8個(gè)肌苷酸關(guān)鍵酶基因(公知)在6個(gè)時(shí)間點(diǎn)的表達(dá)數(shù)據(jù)，構(gòu)成一個(gè)8*6的基因表達(dá)矩陣；(2)各基因的權(quán)重模型:將基因芯片數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后，利用熵對(duì)各基因賦權(quán)，構(gòu)成賦以權(quán)重的基因表達(dá)矩陣；(3)基因表達(dá)調(diào)控的初步選擇:將所有研究的基因作為一個(gè)系統(tǒng)，以所有基因被調(diào)控的誤差平方和最小為目標(biāo)，建立整數(shù)非線性規(guī)劃模型，判斷基因之間的調(diào)控指向；
權(quán)利要求
1.一種構(gòu)建雞肌肉肌苷酸合成途徑相關(guān)關(guān)鍵酶基因網(wǎng)絡(luò)調(diào)控方法， 其特征是:首先是建立肌苷酸相關(guān)基因的數(shù)據(jù)集，計(jì)算各基因的權(quán)重模型，初步選擇基因表達(dá)調(diào)控，其次是求相關(guān)系數(shù)并求解，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)圖，最后是結(jié)合建立的整數(shù)非線性規(guī)劃模型，并基于KEGG數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建肌苷酸相關(guān)基因的網(wǎng)絡(luò)調(diào)控圖。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述構(gòu)建雞肌肉肌苷酸合成途徑相關(guān)關(guān)鍵酶基因網(wǎng)絡(luò)調(diào)控方法，其特征在于具體步驟如下: (1)建立肌苷酸相關(guān)基因的數(shù)據(jù)集:從24張肌肉組織芯片中獲得8個(gè)肌苷酸關(guān)鍵酶基因在6個(gè)時(shí)間點(diǎn)的表達(dá)數(shù)據(jù)，構(gòu)成一個(gè)8*6的基因表達(dá)矩陣； (2)各基因的權(quán)重模型:將基因芯片數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后，利用熵對(duì)各基因賦權(quán)，構(gòu)成賦以權(quán)重的基因表達(dá)矩陣； (3)基因表達(dá)調(diào)控的初步選擇:將所有研究的基因作為一個(gè)系統(tǒng)，以所有基因被調(diào)控的誤差平方和最小為目標(biāo)，建立整數(shù)非線性規(guī)劃模型，判斷基因之間的調(diào)控指向；
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述構(gòu)建雞肌肉肌苷酸合成途徑相關(guān)關(guān)鍵酶基因網(wǎng)絡(luò)調(diào)控方法，其特征在于步驟(5)求解，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)圖的是: 1)、從原始的芯片數(shù)據(jù)中挑選有效基因數(shù)據(jù)； 2)、將有效數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器運(yùn)行計(jì)算； 3)、將生成的源文件通過(guò)計(jì)算機(jī)語(yǔ)言尋找基因間的線性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別設(shè)0.75、.0.80、0.85、0.90 ； 4)、構(gòu)建geneIist文件選擇肌苷酸相關(guān)基因； 5)、導(dǎo)入Cytoscape生成調(diào)控網(wǎng)絡(luò)圖。
全文摘要
本發(fā)明屬于動(dòng)物育種學(xué)、發(fā)育生物學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)領(lǐng)域。涉及一種利用表達(dá)譜數(shù)據(jù)及相關(guān)生物信息工具分析和構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)調(diào)控的方法。該方法首先是建立肌苷酸相關(guān)基因的數(shù)據(jù)集，計(jì)算各基因的權(quán)重模型，初步選擇基因表達(dá)調(diào)控，其次是求相關(guān)系數(shù)并求解，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)圖，最后是結(jié)合建立的整數(shù)非線性規(guī)劃模型，并基于KEGG數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建肌苷酸相關(guān)基因的網(wǎng)絡(luò)調(diào)控圖。本發(fā)明本研究以我國(guó)地方雞種如皋黃雞為素材，構(gòu)建IMP合成途徑中8個(gè)關(guān)鍵酶的寡核苷酸探針，在分子雜交的基礎(chǔ)上篩選出基于RNA水平上的調(diào)控模型，揭示風(fēng)味物質(zhì)—IMP合成關(guān)鍵酶在轉(zhuǎn)錄水平上的表達(dá)差異。為“優(yōu)質(zhì)雞”的培育和產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供理論依據(jù)。
文檔編號(hào)G06F19/12GK103150487SQ201210497419
公開日2013年6月12日 申請(qǐng)日期2012年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月29日
發(fā)明者陳國(guó)宏, 常國(guó)斌, 欒德琴, 陳蓉, 張穎, 馬騰, 夏明秀, 戴愛琴, 翟飛, 劉璐, 陳靜, 王洪志, 徐璐 申請(qǐng)人:揚(yáng)州大學(xué)