小鼠及人顺式作用元件CArG序列特征及进化研究

论文摘要

随着人类和其它模式生物的基因组完成测序,越来越多的研究表明非编码DNA是真核生物基因组的主要组成部分。在生物体生长发育过程中,转录因子与短序列DNA顺式作用元件的正确识别与结合是调控基因特异性时空表达的关键步骤。血清反应因子是众多得到深入研究的转录因子之一,在有机体内广泛表达,主要调控与生物体发育过程相关的基因。因其调控功能多样性和重要性成为生物学中研究的热点之一。血清反应因子识别结合的顺式作用元件CArG近年来随之备受关注,其重要性日益凸显。尽管有关CArG元件的报道越来越多,但是有关其序列特征及进化起源的研究却鲜见报道。到目前为止,在哺乳动物中共有390条CArG元件经过实验验证是有功能的。首先,分析了功能CArG元件的在转录起始位点附近的分布及其与功能的关系,同时研究了相邻CArG元件之间的距离与功能的关系。第二,通过对功能CArG元件序列与背景序列的对比分析,对功能序列的序列特征进行深度挖掘。第三,通过自己编写的计算机程序分别统计了小鼠和人中功能CArG元件的单倍型的种类和数量,并确定了其优势单倍型。最后,通过同源比对分析确定了小鼠和人的同源功能CArG元件,并在此基础上推测了功能CArG元件的进化起源。研究结果显示,71%的功能CArG元件分布在转录起始位点上游,且距离转录起始位点越近,CArG元件的数量越多。且上游的功能CArG元件的位点分布服从负冥指数分布。此外,通过统计对比发现含有功能CArG元件的基因上游常含有比背景序列数量更多的CArG-like序列。而当二者含有的CArG-like序列的平均数相差无几的时候,CArG-like序列间的平均距离在这两组基因中的差异并不显著。通过对比分析小鼠和人中功能CArG元件与背景序列的替换率发现,功能CArG元件替换率要低于背景的替换率,这一研究结果说明功能元件的进化因受到功能的限制而很少发生替换。但是功能CArG元件的中心位点5和位点6却显示出比背景序列高的替换率,这一结果预示着这两个位点可能承受着正向选择压力。同时,通过与背景序列的对比分析发现,中心序列中的AT排列呈现明显的TATA偏好。这一特征可能对功能CArG元件与血清反应因子识别时形成正确的构象有重要作用。研究发现小鼠和人中功能CArG元件存在大量的单倍型。而小鼠基因组中的优势单倍型与人类中的优势单倍型不尽相同。尽管如此,二者仍存在相似序列特征,即都是没有替换的完美CArG元件且其中心序列呈现出明显的TATA排列。启动子序列的同源对比分析在小鼠和人中发现了22对同源CArG元件,结果显示功能重要的CArG元件在亲缘关系较远的物种间也高度保守。本研究首次用生物信息结合比较基因组的方法分析了哺乳动物中功能CArG元件的序列特征,并探究了其进化特性。研究结果揭示功能CArG元件的序列特征,并完善和补充了前人的研究结果。此项研究揭示了功能CArG元件特有的序列特征,不仅仅为设计预测软件,降低预测假阳性,提高预测成功率,准确预测候选CArG元件提供了重要的信息;也将推动利用比较基因组的方法对其它生物体中功能CArG元件的研究工作。同时,这些序列特征为进一步研究功能CArG元件对其下游基因表达调控的影响提供了可靠的信息。更为重要的是,本研究为揭示其它顺式作用元件的遗传和序列特征提供了研究平台。对其它顺式作用元件的序列特征的深入发掘,为将来准确预测顺式作用元件、分析基因表达以及研究基因表达调控网络模型奠定坚实基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 生物信息学简介
• 1.1.1 生物信息学产生的背景
• 1.1.2 常用生物学数据库
• 1.1.3 生物信息学的主要研究内容
• 1.2 顺式作用元件研究概况
• 1.2.1 转录水平调控的特点
• 1.2.2 顺式作用元件常用研究方法
• 1.2.2.1 顺式作用元件常用试验方法
• 1.2.2.2 顺式作用元件理论预测方法
• 1.2.3 顺式作用元件研究常用数据库
• 1.2.3.1 PLACE（ Plant ci52acting regulatory DNA elements）
• 1.2.3.2 TRRD（ Transcription regulatory regions database）
• 1.2.3.3 TRANSFAC（ Transcriptional regulation ,from patterns to profiles）
• 1.3 SRF 的结构与功能
• 1.3.1 MADS-box 转录因子家族
• 1.3.1.1 MADS-box 基因的序列特性
• 1.3.1.2 MADS-box 基因的分类
• 1.3.1.3 DNA 结合位点
• 1.3.2 SRF 的克隆与表达
• 1.3.3 SRF 的结构
• 1.3.4 SRF 的生物学功能
• 1.4 CARG 元件的结构与功能
• 1.4.1 CArG 元件的结构
• 1.4.2 CArG 元件与SRF 的相互作用
• 1.4.3 CArG 元件的保守性
• 1.5 研究的目的及意义
• 第二章 小鼠中功能CARG 元件在基因转录起始位点附近的分布及其与功能的关系
• 2.1 前言
• 2.2 材料与方法
• 2.2.1 实验数据下载
• 2.2.2 小鼠中功能CArG 元件的搜集与整理
• 2.2.3 小鼠中背景序列的确定
• 2.2.4 CArG-like 序列在小鼠染色体上的分布
• 2.2.5 CArG 元件基因转录起始位点周围的分布
• 2.2.6 同一基因中相邻CArG 元件的距离分析
• 2.3 结果与分析
• 2.3.1 CArG 元件在小鼠染色体上的分布
• 2.3.2 功能CArG 元件分布
• 2.3.3 相邻CArG 元件距离的分布
• 2.4 讨论
• 2.4.1 CArG-like 序列与基因在小鼠染色体上分布的关系
• 2.4.2 功能CArG 元件在小鼠基因启动子区的分布
• 2.4.3 功能CArG 元件的数目及相邻距离与功能的关系
• 第三章 小鼠与人中功能CARG 元件序列特征对比分析及进化研究
• 3.1 前言
• 3.2 材料与方法
• 3.2.1 实验数据下载
• 3.2.2 人中功能CArG 元件的搜集与整理
• 3.2.3 人中背景序列的确定
• 3.2.4 小鼠与人CArG 元件的序列特征对比分析
• 3.2.5 小鼠与人中CArG 元件的单倍型对比分析
• 3.2.6 小鼠与人中CArG 元件的进化及保守性分析
• 3.3 结果与分析
• 3.3.1 功能CArG 元件的替换率规律
• 3.3.2 功能CArG 元件中心位点的高替换率
• 3.3.3 功能CArG 元件的TATA 互补
• 3.3.4 功能CArG 元件的优势单倍型
• 3.3.5 功能CArG 元件的同源分析
• 3.4 讨论
• 3.4.1 功能CArG 元件各个位点的替换率研究
• 3.4.2 功能CArG 元件中心位点的进化分析
• 3.4.3 功能CArG 元件中心位点的互补排列
• 3.4.4 功能CArG 元件的单倍型与功能的关系
• 3.4.5 小鼠与人中功能CArG 元件的同源关系研究
• 第四章 结论
• 4.1 研究的主要结论
• 4.2 主要创新点
• 4.3 不足
• 4.4 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介
• 附件