基于有序条件互信息和有限父结点构建基因调控网络

基因调控网络重建是功能基因组研究的基础,有助于理解基因间的调控机理,探索复杂的生命系统及其本质.针对传统贝叶斯方法计算复杂度高、仅能构建小规模基因调控网络,而信息论方法假阳性边较多、且不能推测基因因果定向问题.本文基于有序条件互信息和有限父结点,提出一种快速构建基因调控网络的OCMIPN算法.OCMIPN方法首先采用有序条件互信息构建基因调控相关网络;然后根据基因调控网络拓扑先验知识,限制每个基因结点的父结点数量,利用贝叶斯方法推断出基因调控网络结构,有效降低算法的时间计算复杂度.人工合成网络及真实生物分子网络上仿真实验结果表明:OCMIPN方法不仅能构建出高精度的基因调控网络,且时间计算复杂度较低,其性能优于LASSO、ARACNE、Scan BMA和LBN等现有流行算法.     

肝癌基因调控网络研究进展

肝癌(Hepatocellular carcinoma,HCC)是我国常见的恶性肿瘤之一。肝癌基因调控网络(HCC regulatory network,HCC GRN)是研究肝癌分子机制的重要途径之一,其节点包括肝癌相关的分子,如mi RNA、TF等,网络的边由节点间相互作用关系构成。基于不同类型的数据构建的肝癌基因调控网络其类型及特征各有不同。综合近年来肝癌基因调控网络研究发现,由TF与mi RNA构建的肝癌转录调控网络更能揭露肝癌关键基因,反映关键基因在调控网络中的扰动情况。整合基因变异信息与调控网络成为研究肝癌基因调控网络的趋势,但相应的研究几乎是空白的。本文从HCC GRN的数据来源、分类及特征,及各类型调控网络的近年研究情况等方面进行综述,并结合相关研究工作对肝癌基因调控网络研究现状进行分析与讨论,对前景进行展望,为这一领域研究工作提供参考。     

浅谈染色质高级结构与基因转录的远程调控

精确的基因表达调控是细胞分化、个体发育和细胞维持正常生命活动的必要条件,转录调控是真核细胞基因表达调控最关键的环节,其神秘和精深吸引着无数科学家为之奋斗不已。染色质构象捕获及其衍生技术的建立和2003年启动的"DNA元件百科全书"计划,将人们对基因转录调控的认识从二维层面推向三维空间。基因组中分布着众多调控元件,它们与所调控的靶基因间可相距几万甚至几十万个核苷酸,可以与靶基因位于相同或不同的染色体上。依据染色质环模型,调控元件可通过染色质环高级结构,与靶基因在空间上充分接近并相互作用,发挥其调控功能。同一个调控元件可以调控不同的靶基因,而相同的基因亦可能受不同调控元件的调节,由此细胞在染色质高级结构层面形成了一个复杂的调节基因转录活性的三维网络。该文分别从基因远程调控现象的发现、研究方法、相关机制及面临的挑战等方面作一简要综述。     

从酵母表达时间序列估计基因调控网络

基因调控网络是生命功能在基因表达层面上的展现。用组合线性调控模型、调控元件识别和基因聚类等方法 ,从基因组表达谱解读酵母在细胞周期与环境胁迫中的基因调控网络。结果表明 ,细胞在不同环境条件下会调整基因调控网络。在适应的环境下 ,起主要作用的是细胞生长和增殖有关的基因调控网络 ;而在响应环境胁迫时 ,细胞会再规划调控网络 ,抑制细胞生长和增殖相关的基因 ,诱导跟适应性糖类代谢与结构修复相关的基因 ,还可能启动减数分裂产生孢子。分别从细胞周期和环境胁迫响应相关基因中 ,搜索到转录因子Mcm1结合位点TT CC T GGAAA ,和Dal82在尿囊素代谢途径相关基因上的结合位点TGAAAAWTTT。从而 ,从酵母表达时间序列估计基因调控网络是可行的 ,与至今已知的实验观察相当吻合     

面向异步多时延基因调控网络建模的高阶动态贝叶斯网络模型及其结构学习算法

目的：由基因芯片数据精确学习建模具有异步多时延表达调控关系的基因调控网络。方法：提出了一种高阶动态贝叶斯网络模型,并给出了网络结构学习算法,该模型假定基因的调控过程为多阶马尔科夫过程,从而能够建模基因调控网络中的异步多时延特性。结果：由酵母基因调控网络一个子网络人工生成了加入10%含噪声的表达数据用于调控网络结构学习。在75%的后验概率下,本文提出的高阶动态贝叶斯网络模型能够正确建模实际网络中全部的异步多时延调控关系,而经典动态贝叶斯网络仅能够正确建模实际网络中1/3的调控关系;ROC曲线对比表明在各个后验概率水平上高阶动态贝叶斯网络模型的效果均优于经典动态贝叶斯网络。结论：本文提出的高阶动态贝叶斯网络模型能够精确学习建模具有异步多时延表达调控关系的基因调控网络。     

基因调控网络的模块化组织研究

基因调控网络表现的是大量基因受到转录因子的调控而最终转录翻译为蛋白质进而实现生物功能的复杂信息, 是人们理解生物过程和基因功能的重要内容。为了理解基因调控网络中的调控机理, 网络的拓扑结构及其组织方式是极其重要的研究内容之一。它不仅能说明网络的局部特征, 并且能揭示调控网络的构造方法, 同时还能对调控信号通路进行全面系统的分析。调控网络可分为4层结构: 调控元件、Motif、模块和整个网络。当前, 这种层次结构受到人们越来越多的认可。文中重点讨论motif和模块两层, 比较分析了近年来对网络组织结构的多方面研究内容, 阐述了各个研究结果与结论具有的生物学意义, 并指出了其中存在的问题。在此基础上, 文中还针对这些问题提出了可能存在的研究方向, 并展望了基因调控网络模块化组织的研究前景。     

面向异步多时延基因调控网络建模的高阶动态贝叶斯网络模型及其结构 学习算法

目的：由基因芯片数据精确学习建模具有异步多时延表达调控关系的基因调控网络。方法：提出了一种高阶动态贝叶斯网 络模型,并给出了网络结构学习算法,该模型假定基因的调控过程为多阶马尔科夫过程,从而能够建模基因调控网络中的异步多 时延特性。结果：由酵母基因调控网络一个子网络人工生成了加入10%含噪声的表达数据用于调控网络结构学习。在75%的后验 概率下,本文提出的高阶动态贝叶斯网络模型能够正确建模实际网络中全部的异步多时延调控关系,而经典动态贝叶斯网络仅 能够正确建模实际网络中1/3的调控关系;ROC曲线对比表明在各个后验概率水平上高阶动态贝叶斯网络模型的效果均优于经 典动态贝叶斯网络。结论：本文提出的高阶动态贝叶斯网络模型能够精确学习建模具有异步多时延表达调控关系的基因调控网 络。     

植物种子特异基因调控网络研究

通过比较种子植物与蕨类植物的基因及其调控网络,为研究种子性状出现的分子机制提供更多的信息.下载拟南芥(Arabidopsis thaliana)种子特异基因和基因网络数据,构建拟南芥种子特异基因调控网络,并与江南卷柏(Selaginella moellendorffii)基因组数据比较,发现其中重要的调控节点.分析得到构成调控网络的1053个拟南芥种子特异基因,其中的969个基因形成一个复杂的调控网络.该网络的核心模块包括39个基因,形成哑铃状的子网络,其中重要节点基因AT1G54860只存在于种子植物基因组中.AT1G54860基因编码GPI锚定蛋白,参与细胞壁的形成、细胞间信号传导及生长分化等过程,推测其在种子形成中具有重要地位,可能起了"开关"的作用.     

肿瘤微阵列数据统计分析概述

微阵列技术已广泛应用于生物学和医学研究领域,如肿瘤的诊断和分型、预测和治疗,理解肿瘤的发生机制、生物学通路和基因网络。统计学方法在这一科学挑战中的地位至关重要。我们综述了微阵列实验数据分析的统计学方法最新发展,主要描述了微阵列数据的标准化、差异表达基因的统计学检验及微阵列技术在肿瘤治疗中的应用,重点介绍了时间序列微阵列数据分析方法和基因调控网络在肿瘤研究中的最新发展。     

基于组学数据构建基因调控网络

在生命体内,基因以及其它分子间相互作用形成复杂调控网络,生命过程都是以调控网络的形式存在,如从代谢通路网络到转录调控网络,从信号转导网络到蛋白质相互作用网络等等。因此,网络现象是生命现象的复杂本质和主要特征。本文系统地介绍了基于表达谱数据构建基因调控网络的布尔网络模型,线性模型,微分方程模型和贝叶斯网络模型,并对各种网络构建模型进行了深入的分析和总结。同时,文章从基因组序列信息、蛋白质相互作用信息和生物医学文献信息等方面讨论了基因调控网络方面构建的研究,这对从系统生物学水平揭示生命复杂机制具有重要的参考价值。     

The Na(+)-independent Ca2+ efflux mechanism of liver mitochondria is not a passive Ca2+/2H+ exchanger

Whether the Na(2+)-independent Ca2+ efflux mechanism of liver mitochondria is a Ca2+/2H+ exchanger and whether this exchanger is a passive mechanism have been controversial since shortly after the discovery of this mechanism. Here, a new approach to determining if the mechanism is passive is developed based on the energy available to a passive Ca2+/2H+ exchanger. Conditions are identified in which the Na(+)-independent Ca2+ efflux mechanism transports Ca2+ out of mitochondria against a Ca2+ gradient many times greater than that possible for a passive Ca2+/2H+ exchanger, thus ruling this out as a possible mechanism.     

The active site composition of porcine pancreatic lipase: possible involvement of lysine

A mechanism is proposed wherein an essential lysine in porcine pancreatic lipase is the acylable residue in the catalytic mechanism of the enzyme. This mechanism involves an initial interfacial activation step were acylation first takes place in a rate-limiting step on a serine residue assisted by histidine and a carboxyl-containing residue, aspartic acid or glutamic acid, and then in a fast subsequent step the acyl group is transferred to the essential lysine residue at the catalytic site. Indirect support for the mechanism is presented. When the essential lysine is made inactive by reductive methylation, the lipase is functionally converted to a proteinase, as predicted by the mechanism.     

A mechanism for acute aluminium toxicity in fish

Aluminium is acutely toxic to fish in acid waters. The gill is the principal target organ and death is due to a combination of ionoregulatory, osmoregulatory and respiratory dysfunction. The toxic mechanism has hitherto received little direct consideration and is unknown. In this paper the mechanism of acute aluminium toxicity is approached from a chemical perspective. Symptomatic evidence of toxicity is taken from the literature and combined with our own research to elucidate a biochemically sound model to describe a possible mechanism of acute aluminium toxicity in fish. The proposed model delineates the chemical conditions immediately adjacent to the gill surface and emphasizes their importance in aluminium's toxic mode of action. The mechanism is shown to be bipartite. Aluminium binding to functional groups both apically located at the gill surface and intracellularly located within lamellar epithelial cells disrupts the barrier properties of the gill epithelium. The concomitant iono- and osmoregulatory dysfunction results in accelerated cell necrosis, sloughing and death of the fish. The mechanism of epithelial cell death is proposed as a general mechanism of aluminium-induced accelerated cell death.     

Switching mechanism for branched biochemical fluxes: graph-theoretical analysis

A graph-theoretical method is applied to characterize the structure of a simplest switching mechanism of common biochemical importance. This mechanism is based on competition of two coupled substrate-binding pathways for a single substrate. No other regulatory interactions are shown to be needed for the switching phenomenon to be observed. It is shown that switch in branch effluxes is observed as bistability or reciprocal oscillations, depending on the value of steady influx. Frequency of reciprocal efflux oscillations in branches is regulated by steady influx. Therefore, the switching mechanism can function as the coding mechanism in the manner of "influx steady level-efflux frequency". The calculated kinetic equations for the switching mechanism demonstrate very steep transitions in the branch fluxes without using high non-linearity of these equations.     

克隆植物中国沙棘生长对外源植物激素的响应

关于植物克隆生长调节问题,目前集中于外在机制的研究。为了探讨中国沙棘克隆生长调节的内在机制,采用3×3回归设计进行田间试验,期望了解不同生长性状对IAA和CTK用量及其配比的响应规律。结果表明:(1)生长性状对激素用量的响应规律呈典型的钟形曲面模式,即各生长指标均存在一个产量峰值,峰值以前生长指标随IAA、CTK用量的增大而提高,峰值以后生长指标随IAA、CTK用量的增大而下降。(2)不同生长指标对激素用量及其配比的响应规律具有一定差异,较高的IAA比例有利于促进树高生长,较高的CTK比例有利于促进地径和冠幅生长,而几乎相等的IAA和CTK用量有利于种群生物量积累。(3)在激素用量适宜的情况下,中国沙棘生长潜力得到充分发挥,形成高大的个体,较多的子株,有利于提高种群对生境资源的占据和利用,并提高排斥其他植物种类入侵的能力;当激素用量过高或过低时,中国沙棘以降低生长量为代价,形成矮小的个体,减少子株数量,有利于削弱个体之间的竞争。这一结果为了解中国沙棘克隆生长内在调节机制提供了线索。(4)根据不同生长指标的激素效应方程,求出了相应的IAA和CTK的最佳用量和最佳配比,以及合理施激素区域和最低成本线。(5)克隆子株数量增幅与地径和冠幅生长量增幅呈极显著正相关、与种群生物量增幅呈显著正相关,即适宜的IAA和CTK用量既可加速个体生长、也能促进克隆子株的产生。     

植物光破坏防御机制研究进展

光破坏防御机制是植物为应对复杂多变的自然环境而产生的保护措施,这些措施从形态、生理和生化等方面反映了植物对环境的适应能力。本文根据光抑制的机理,对近年来植物的光破坏防御机制以及高等植物叶黄素循环机制的研究现状进行综述,认为叶黄素循环防御机制是植物光保护作用的重要措施之一。     

铜绿微囊藻的分子研究进展

中国淡水湖泊、水库众多,富营养化问题严重。铜绿微囊藻是中国湖泊、水库及其他水域生态系统发生、形成富营养化危害的主要藻类。目前对铜绿微囊藻的研究主要集中在水华成因、生长的特点、作用机理等,对其生命活动相关的分子机制研究不多。该文主要从生物节律、毒素合成、藻胆蛋白合成及其调控机制和ATP合成酶等四个方面综述了铜绿微囊藻的分子研究进展,为今后进一步研究铜绿微囊藻的分子作用机理及其防治具有重要意义。     

A Historical Perspective for the Catalytic Reaction Mechanism of Glycosidase; So As to Bring about Breakthrough in Confusing Situation

Various catalytic reaction models have been proposed as the reaction mechanisms of glycosidases, but a reasonable and unitary model capable of interpreting both “inverting” and “retaining” glycosidase reactions remains to be established. As for the models proposed to date, the nucleophilic displacement mechanism and the oxocarbenium ion intermediate mechanism are widely known, but recently the former is widely accepted, and so the general tendency of world opinion appears to favor it. This reaction model, however, is considered to comprise some inconsistencies that cannot be neglected from the viewpoint of reactivity in organic chemistry. While the nucleophilic displacement mechanism is often applied to reactions of glycosidases, it appears unlikely that such reactions actually occur. This review argues that the oxocarbenium ion intermediate reaction mechanism is more rational than the nucleophilic displacement reaction mechanism, as the action mode of glycosidases and related enzymes.     

CPG Control for Biped Hopping Robot in Unpredictable Environment

A CPG control mechanism is proposed for hopping motion control of biped robot in unpredictable environment.Based on analysis of robot motion and biological observation of animal's control mechanism,the motion control task is divided into two simple parts:motion sequence control and output force control.Inspired by a two-level CPG model,a two-level CPG control mechanism is constructed to coordinate the drivers of robot joint,while various feedback information are introduced into the control mechanism.Interneurons within the control mechanism are modeled to generate motion rhythm and pattern promptly for motion sequence control; motoneurons are modeled to control output forces of joint drivers in real time according to feedbacks.The control system can perceive changes caused by unknown perturbations and environment changes according to feedback information,and adapt to unpredictable environment by adjusting outputs of neurons.The control mechanism is applied to a biped hopping robot in unpredictable environment on simulation platform,and stable adaptive motions are obtained.