基因效應與信號轉(zhuǎn)導數(shù)學模型的建立及應用.pdf

1、多基因功能及其效應的研究歷來是遺傳學研究的熱點和難點。鑒于分子遺傳學、數(shù)量遺傳學以及其他相關(guān)學科如生物化學、細胞生物學、分子生物學、應用數(shù)學、計算機等等學科的發(fā)展。目前，主要有兩類分析多基因功能和效應的方法，一類是傳統(tǒng)群體遺傳學結(jié)合分子遺傳標記的方法即分子數(shù)量遺傳學方法，另一種是基于海量分子生物學技術(shù)而出現(xiàn)的生物信息學分析方法。 現(xiàn)在，已經(jīng)有許多關(guān)于QTL(數(shù)量性狀基因座位)參數(shù)估計的方法來估計控制數(shù)量功能性狀的主基因功能效應。

2、其中主要的方法有均值一方差分析法、矩法一最大似然法、回歸方法等。然而，從系統(tǒng)的觀點和分子調(diào)控網(wǎng)絡的觀點來看，這些方法還具有較大的發(fā)展空間。在關(guān)于分子網(wǎng)絡分析的生物信息學分析方法中，由于分子調(diào)控網(wǎng)絡可以用圖的方式來解釋分子之間的相互關(guān)系和功能，很多學者試圖用圖論的方法來分析分子調(diào)控網(wǎng)絡，并將之與計算機自動化分析相結(jié)合，因此，目前對分子調(diào)控網(wǎng)絡的圖論分析是一個引人注目的方法。然而，由于分子網(wǎng)絡的復雜性，在眾多圖論分析中，還沒有一種成熟的分析

3、方法。 針對上述兩點，本研究分為兩篇，上篇發(fā)展了一種估計控制數(shù)量性狀的基因作用和類型的方法，并用數(shù)學推導的方法和計算機模擬的方法證明了所提方法的有效性。下篇為分子調(diào)控網(wǎng)絡建立了一個圖論數(shù)學模型，提出了簡便的分子網(wǎng)絡圖論分析方法，并運用網(wǎng)上公布的海量數(shù)據(jù)來對FOXO相關(guān)的分子調(diào)控網(wǎng)絡進行了研究。 上篇估計控制數(shù)量性狀的基因作用和類型的方法是： 在動物生長發(fā)育過程中的某個時間橫截面上，運用分子標記技術(shù)得到盡量多的有關(guān)

4、調(diào)控基因標記的多態(tài)性資料，運用分子生物學技術(shù)對所要考察的基因表達或性狀指標進行測定，并做好記錄。將標記的在電泳時表現(xiàn)的三種狀態(tài)：隱性純合(mm)、雜合(Mm)及顯性純合(MM)分別量化為“-1”、“0”和“1”。將標記看作因素，出現(xiàn)狀態(tài)看作水平，將符合正交表的調(diào)控基因分子標記數(shù)量化資料填入對應的正交表中，同時亦將對應分子標記組合、對應時間橫截面上所考察的基因表達指標的數(shù)據(jù)資料填入正交表中。將正交表中分子標記的數(shù)量化資料作為自變量，考察基

5、因表達指標的數(shù)據(jù)資料作為依變量，運用最小二乘原理對動物生長發(fā)育過程中的資料，在不同時間橫截面上，配合分子標記二次回歸曲線方程，并將結(jié)果的可靠性和準確性運用統(tǒng)計學原理加以篩選與評定。如果某基因變量二次項回歸系數(shù)是0，則此基因為加性基因，且其基因變量的一次項回歸系數(shù)正好是等位基因的作用差：如果某基因變量一次項回歸系數(shù)與二次項回歸系數(shù)的相反數(shù)相等，則此基因為顯性基因，且一次項回歸系數(shù)是基因作用差；如果某基因變量一次項回歸系數(shù)是零，則此基因為等

6、效超顯性基因，且二次項回歸系數(shù)是超顯性系數(shù)；如果某標記變量一次項回歸系數(shù)與二次項回歸系數(shù)的關(guān)系與上述三點不符，也可根據(jù)上述公式對不完全顯性、有害顯性、有害超顯性等等位基因間的互作進行推斷。結(jié)果的可靠性可通過統(tǒng)計的方法進行判定，并在實踐中進行檢驗。若在不同的情況下，還有沖突，則應考慮基因與環(huán)境間或不同基因座位間有顯著的互作。 本研究通過數(shù)學推導和計算機模擬都證明上述方法是可行的。 下篇運用圖論對分子網(wǎng)絡進行分析應采取的程式

7、是： 首先進行資料的收集：根據(jù)原始研究文獻、綜述及分子生物學數(shù)據(jù)庫，將分子實體作為頂點，分子實體名稱對應標記分子網(wǎng)絡中的分子實體，邊對應于分子實體間的關(guān)系，對分子調(diào)控網(wǎng)絡資料進行收集，將信號流標于圖中，收集的結(jié)果用圖及對應的鄰接矩陣的形式表示。 然后獲得鄰接矩陣：將原始各個鄰接矩陣分子縮寫按一定的川頁序填到一個表格中，將各個鄰接矩陣中各個分子節(jié)點非0的位置填上對應的數(shù)字。有0的位置暫時不填，直到將所有的各個小鄰接矩陣填完

8、。然后將空位全部填充為0。這樣將表格轉(zhuǎn)化為矩陣的形式及得到分子調(diào)控網(wǎng)絡綜合鄰接矩陣。 接著進行分子調(diào)控網(wǎng)絡的可達性分析：根據(jù)鄰接矩陣A計算出R=A+A<'2>+A><'3>+…+A<'n>，再將R中不為零的元素均改為1，而為零的元素不變，這個改換所得的矩陣即為可達矩陣。然后根據(jù)可達矩陣所研究分子所在的行和列的數(shù)據(jù)資料來判斷分子間的調(diào)節(jié)與被調(diào)節(jié)關(guān)系。 最后進行信號轉(zhuǎn)導間的Crosstalk分析：將分子調(diào)控網(wǎng)絡的鄰接矩陣Sp

9、ath進行k次冪，判斷FOXO相關(guān)分子調(diào)控網(wǎng)絡中目的分子的上游與下游信號分子間的調(diào)控關(guān)系、路徑長度及路徑數(shù)。運用相關(guān)數(shù)學軟件編程運行后觀察所感興趣分子的對應行和列，從而得到分子調(diào)控網(wǎng)絡的Crosstalk情況。 FOXO1是一個重要的轉(zhuǎn)錄因子，其參與了大量的生理生化過程，包括細胞分裂、細胞凋亡和信號轉(zhuǎn)導等。本研究用圖論的方法對FOXO相關(guān)的分子調(diào)控網(wǎng)絡進行了分析，用分子生物學試驗的方法對分析的結(jié)果進行了驗證。結(jié)果認為我們建立的圖