釀酒酵母組蛋白修飾的組合模式分析.pdf

1、人類基因組計(jì)劃完成后，獲得了海量的DNA序列數(shù)據(jù)，基于這些數(shù)據(jù)人們?cè)诨虮磉_(dá)方面開展大量的研究工作。漫長的研究過程使我們逐步認(rèn)識(shí)到，基因組DNA的表達(dá)調(diào)控非常復(fù)雜。相關(guān)研究結(jié)果顯示，除了DNA序列自身以外，還有其它的可遺傳的生物學(xué)因素影響基因表達(dá)，這類作用被稱為表觀遺傳調(diào)控，至此表觀遺傳學(xué)應(yīng)運(yùn)而生。這些遺傳調(diào)控信息主要集中在幾大方面：組蛋白修飾、核小體定位、染色質(zhì)重塑、DNA甲基化修飾以及非編碼RNA調(diào)控等。而目這些因素能夠相互作用，共

2、同決定復(fù)雜的生命過程。
　　 組蛋白修飾是表觀遺傳調(diào)控信息的一個(gè)重要研究內(nèi)容。組蛋白修飾是在相關(guān)修飾酶的作用下發(fā)生在核小體組蛋白N末端的共價(jià)修飾，這些共價(jià)修飾包括甲基化、乙?；土姿峄取２煌慕M蛋白修飾在基因的表達(dá)中起著不同的作用，包括組蛋白密碼、信號(hào)網(wǎng)絡(luò)和電荷中和等不同的模型被提出來說明組蛋白修飾的功能。2000年，Strahl和Allis提出“組蛋白密碼”假設(shè)。該假設(shè)認(rèn)為單一組蛋白的修飾往往不能獨(dú)立地發(fā)揮作用，一個(gè)或多個(gè)組

3、蛋白尾部的不同共價(jià)修飾依次發(fā)揮作用或組合在-起，形成一個(gè)修飾的級(jí)聯(lián)，它們通過協(xié)同或拮抗來共同發(fā)揮作用，影響基因的表達(dá)。組蛋白密碼被提出后，組蛋白修飾組合模式成為基因表達(dá)調(diào)節(jié)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。
　　 基于組蛋白密碼思想，本文研究了釀酒酵母組蛋白修飾的組合模式，同時(shí)提出了組蛋白修飾作用關(guān)系模型，并從相關(guān)修飾酶角度對(duì)修飾因果組合關(guān)系機(jī)理進(jìn)行了分子生物學(xué)水平的探討。主要研究內(nèi)容如下：
　　 1.在得到釀酒酵母組蛋白修飾數(shù)據(jù)和確定轉(zhuǎn)

4、錄起始位點(diǎn)(TSS)的基礎(chǔ)上，一方面為了了解12種組蛋白修飾圍繞轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)修飾水平的變化趨勢(shì)；另一方面為了校驗(yàn)篩選后的組蛋白修飾數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，因此研究了組蛋白修飾在啟動(dòng)區(qū)和編碼區(qū)的修飾分布模式。一些經(jīng)典修飾(比如H3K4me3、H3K4me2和H3K4mel)的分布模式結(jié)果顯示，篩選的數(shù)據(jù)是準(zhǔn)確的。所有的組蛋白修飾水平都圍繞TSS有非常明顯的變化，幾乎在TSS位點(diǎn)修飾水平都最低，而在TSS兩側(cè)區(qū)域修飾水平逐漸增強(qiáng)。在接近編碼區(qū)末端時(shí)，

5、修飾的水平又逐漸降低。
　　 2.為了分析構(gòu)建的組蛋白修飾網(wǎng)絡(luò)，我們首先研究了TSS+1kb區(qū)域12種組蛋白修飾的相關(guān)性。另外，針對(duì)研究較多的TSS-1kb區(qū)域，我們也進(jìn)行了修飾的Pearson相關(guān)分析。結(jié)果顯示，12種組蛋白修飾在兩個(gè)區(qū)域根據(jù)相關(guān)系數(shù)都被分成兩個(gè)強(qiáng)相關(guān)群體。一個(gè)群體是轉(zhuǎn)錄增強(qiáng)修飾群體(群體A)，另一個(gè)群體是轉(zhuǎn)錄抑制或轉(zhuǎn)錄無關(guān)聯(lián)修飾群體(群體B)。群體A包括7種修飾(H2AK7Ac、H3K14Ac、H3K9Ac、

6、H4K5Ac、H3K18Ac、H4K12Ac和H3K4Me3)；群體B包括5種修飾(H3K4Me1、H2BK16Ac、H3K4Me2、H4K16Ac和H4K8Ac)?；谵D(zhuǎn)錄水平的修飾聚類結(jié)果與Pearson相關(guān)分析一致。
　　 3.一些組蛋白修飾酶能夠通過自身蛋白的結(jié)構(gòu)域與另一些修飾結(jié)合。因此，這些酶催化的組蛋白修飾與結(jié)合位點(diǎn)修飾之間建立了因果關(guān)聯(lián)關(guān)系，在此因果關(guān)系的基礎(chǔ)上兩種修飾形成修飾組合。依據(jù)以上思路，本課題以貝葉斯網(wǎng)絡(luò)

7、為手段研究了組蛋白修飾組合模式。貝葉斯網(wǎng)絡(luò)能夠顯示一種修飾組合模式的多個(gè)修飾之間的因果關(guān)系。針對(duì)本研究的12種組蛋白修飾確定了23種組合模式。通常情況下，在-個(gè)組合模式內(nèi)的幾種修飾關(guān)聯(lián)較強(qiáng)，處于一個(gè)關(guān)聯(lián)群體。另外，從組蛋白修飾酶的分子結(jié)構(gòu)水平分析了部分組蛋白修飾組合。
　　 4.為了了解組蛋白修飾因果關(guān)系在轉(zhuǎn)錄水平不同情況下的差異，在逐步刪除低轉(zhuǎn)錄基因和高轉(zhuǎn)錄基因的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了高轉(zhuǎn)錄貝葉斯網(wǎng)絡(luò)和低轉(zhuǎn)錄貝葉斯網(wǎng)絡(luò)。在比較和分析了

8、兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)后，發(fā)現(xiàn)高轉(zhuǎn)錄基因的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)顯示的修飾關(guān)系更加穩(wěn)定、有較少的變化，表明更多的修飾組合在基因轉(zhuǎn)錄水平高的時(shí)候發(fā)揮生物學(xué)作用。四組修飾組合(H2BK16Ac→H3K4Me3、H3K14Ac→H3K4Me3、H4K12Ac→H3K18Ac和H2AK7Ac→H3K14Ac)在基因轉(zhuǎn)錄的過程中始終發(fā)揮作用，它們的功能不依賴于基因的轉(zhuǎn)錄水平，這些修飾組合對(duì)于基因轉(zhuǎn)錄是必需的。此外，基于兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定路徑(修飾組合關(guān)系)，提出了組蛋白修飾作