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跨物种靶基因预测系统平台构建及应用研究

跨物种靶基因预测系统平台构建及应用研究

作者：刘俊昕吉林大学

学位级别：硕士

在多个组织器官中有一类约有22核苷酸长度的，属于非编码和内源性的小RNA分子片段，即microRNA（简写为miRNA）;它们在很多如发育、细胞凋亡的生命进程中起到的重要作用，引起了研究人员的广泛关注并为很多生命科学研究带来了进展。值... 详细信息

在多个组织器官中有一类约有22核苷酸长度的，属于非编码和内源性的小RNA分子片段，即microRNA（简写为miRNA）;它们在很多如发育、细胞凋亡的生命进程中起到的重要作用，引起了研究人员的广泛关注并为很多生命科学研究带来了进展。值得一提的是miRNAs建立细胞体系的强大作用，它们靶向一个或者多个信使RNA（即mRNAs），指导RNA诱导沉默复合体，通过降解mRNA或翻译抑制下调基因表达。 miRNA是多个发育通路及基因调控机制的关键参与因子，而且是大量遗传疾病及表性决定因素的基础;因此目前已经提出很多针对动物、蠕虫、果蝇及植物等十几个物种中某一个或者多个物种的靶基因预测计算方法。这些算法主要特征包括种子位点的miRNA-mRNA配对特征、位点位置特征、保守性特征、用于评估位点可结合性的最小自由能特征以及表示靶点间最优距离的复合位点等特征。但是能够合并所有现在已知特征并使其作为可调节参数的计算方法还很少。基于计算机预测方法、多种生物实验手段及大量文献的查阅，已经有研究团队对不同物种的经过实验验证或文献发表的miRNA靶基因进行了系统的收集统计和靶基因描述。基于此建立了较完备的数据库，如TarBase，其中包含了注册的miRNA序列数据、预测的靶基因等信息。同时，还有例如NCBI这种权威的RNA基因组数据库的建立，为获取权威数据信息和信息比对提供了支持。近年来，禽流感的爆发、癌症发病率的上升以及张晨宇团队关于植物miRNA进入人体及外源性miRNA介导跨物种传播机制的开创性发现都表明了靶基因预测应用性研究的重要性。尽管宿主miRNA可能会作为抗病毒防御机制下调病毒基因表达，但是还未在人类流感病毒中对此机制进行深入研究;而且由于无法在人体上进行相关实验，因此目前应用生物计算预测与实验相结合是miRNA调控机制研究的主要手段。病理学方面，通过与匹配的miRNA表达谱结合分析胶质瘤基因表达数据，发现了一个后转录调控层，其中包含了超过248000个miRNA介导的相互作用，这在一定程度上说明miRNA在癌症方面具有重要作用。作为临床最常见的恶性肿瘤之一的胃癌，严重威胁着人的身体健康，但是通过生物实验手段进行预测存在着费时耗财等诸多问题，因此计算方法也是用于胃癌研究的重要手段。近来由南京大学张辰宇教授课题组提出的一项重大发现——植物miRNAs可通过日常食物摄取的方式进入人体血液和组织器官，并通过调控人体内靶基因表达的方式影响人体生理功能进而发挥生物学作用，更使得跨物种靶基因预测成为研究热点。但是，目前可用于实验前期指导的跨物种靶基因预测软件却很少。因此本文经过对多个靶基因预测方法的研究，联系时下急切的生物研究需求，改进传统特征，对三维能量特征及基于位置和空位大小的惩罚函数特征算法进行创新，，借鉴数据库这一强大优势，构建了一个跨物种靶基因预测系统平台。它能够平衡敏感度与特异性且时间复杂度低。此外，基于本文构建的平台进行跨物种靶基因预测应用研究。通过预测人编码miRNA与流感病毒基因片段的靶点结合情况分析出人类miRNA对病毒RNA的调控;通过胃癌基因靶点位置预测，指导生物实验并验证了本平台预测的准确性，通过蛋白靶点位置的预测分析出了hsa-miR-625上调的可能性;通过对本文构建平台预测的靶基因进行所属蛋白查找，预测植物miRNA调控人类mRNA的可能性。本平台的构建为生物实验提供了良好的前期指导，节省了大量的时间、人力、物力。现在跨物种靶基因预测仍处于研究的初级阶段，虽然很多预测结果还有待进一步证明，但是未来基于此的药物设计及疾病治疗将会有更大的发展前景。

关键词： microRNA 跨物种靶基因预测胃癌流感病毒

跨物种挖掘主要农作物籽粒大小关键基因的研究

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跨物种挖掘主要农作物籽粒大小关键基因的研究

作者：翟慧心安徽农业大学

学位级别：硕士

随着生活水平的提高,人们对粮食和油料的需求不断增加。因此,提高粮油作物的产量,对于保障全球粮食安全至关重要。籽粒大小是影响作物产量的重要因素之一,本文基于RNA-seq技术进行了跨物种关键基因的挖掘,深入发掘与籽粒大小紧密关联的... 详细信息

随着生活水平的提高,人们对粮食和油料的需求不断增加。因此,提高粮油作物的产量,对于保障全球粮食安全至关重要。籽粒大小是影响作物产量的重要因素之一,本文基于RNA-seq技术进行了跨物种关键基因的挖掘,深入发掘与籽粒大小紧密关联的基因,优化了生信研究流程,为研究大规模数据的跨物种问题提供研究方法。寻找物种间调控籽粒的同源基因,为分子育种设计提供理论基础,实现精准的基因编辑和定向育种。以小麦、水稻、玉米、大豆、花生、油菜为研究对象,按生长天数进行转录组差异表达分析。筛选出籽粒相关的差异基因,进行富集分析。在差异基因的基础上,通过WGCNA将基因进行模块划分,筛选出特定模块中的差异基因。将多个物种的差异进行同源比对,对直系同源蛋白进行蛋白质互作找出关键蛋白。研究结果如下:1.通过比较不同样本之间转录本表达量的变化情况,并鉴定差异表达的转录本,筛选出差异基因。得到差异基因数与原始基因数相比下降至四分之一左右。差异基因富集分析结果显示,作物共同作用于次生代谢物合成等通路,与籽粒大小发育相关。2.通过WGCNA分析,利用相关性算法和无标度网络对生长天数与基因模块进行关联分析,筛选出正表达与负表达明显的模块,每个物种选出1-3个模块,将调控籽粒大小基因确定在3500个左右,缩小差异基因范围,使关键基因分析更加精准。3.通过对蛋白质序列进行比对,发现序列之间的同源关系,最终获得454个直系同源蛋白簇,1个单拷贝基因簇。对两种蛋白簇进行功能分析,发现单拷贝基因簇与丝氨酸蛋白酶相关,参与植物的生长发育过程。直系同源蛋白簇则参与代谢活动,与酶活性相关。4.根据蛋白相互作用关系构建直系同源蛋白的互作网络,计算网络中节点的连通性,筛选出degree值最高的10个蛋白质为各个物种调节籽粒大小的关键蛋白。结果证实了部分假性蛋白在植物体内进行了表达。最终找到的关键蛋白可以为农作物改良提供方向,也为研究大规模转录组数据与表型数据相关联进行跨物种寻找关键基因提供新思路。

关键词： RNA-seq 籽粒大小 WGCNA 跨物种同源分析

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疼痛跨物种研究:挑战与机遇

中国科学：生命科学 2021年第2期51卷 179-189页

作者：吕雪靖张立波李镇江岳路鹏包充宇张峰瑞胡理中国科学院心理健康重点实验室(中国科学院心理研究所) 北京100101 中国科学院大学心理系北京100049 江西师范大学心理学院南昌330022

人类研究和动物研究对于揭示疼痛加工机制和检验镇痛方案效果都不可或缺.从跨物种的角度入手,有机整合不同层次的研究,将有利于推动疼痛研究的进一步深化和研究成果的转化应用.然而,人类研究和动物研究在研究内容、技术手段和疼痛评估... 详细信息

人类研究和动物研究对于揭示疼痛加工机制和检验镇痛方案效果都不可或缺.从跨物种的角度入手,有机整合不同层次的研究,将有利于推动疼痛研究的进一步深化和研究成果的转化应用.然而,人类研究和动物研究在研究内容、技术手段和疼痛评估方式上都存在较大差异.这给不同物种研究成果的整合和对比带来了巨大挑战.开发物种间可转化的疼痛生物学指标将有助于提升人类研究和动物研究的可比性,为深入开展跨物种疼痛研究奠定基础.近年来的研究提示,疼痛诱发的高频振荡信号(gamma band oscillations,GBOs)是一个潜在的跨物种疼痛生物学指标,该指标编码疼痛强度的特性在人类、大鼠和小鼠中均被证实.采用跨物种的研究方法,研究者可以利用不同层次(微观-介观-宏观)的技术手段探讨该指标的产生机制和调控原理,进而为基础研究成果的应用转化提供帮助.在今后的跨物种研究中,应充分考虑不同物种差异,加强对不同物种研究结果的比较,并从生理、心理和社会的整合性角度入手开展疼痛研究,从而为研究者从不同层次理解疼痛、开发镇痛方法提供重要的理论依据和实践指导.

关键词：疼痛跨物种人类研究动物模型生物标志物高频振荡信号镇痛

基于单细胞转录组数据的跨物种脑细胞图谱研究

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基于单细胞转录组数据的跨物种脑细胞图谱研究

作者：刘泓昕哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

大脑皮层作为哺乳动物大脑中最为复杂的结构之一,是高级神经活动的物质基础。大脑主导机体内一切活动过程,人们对大脑的研究已有几个世纪的历史。大脑的跨物种对比分析作为研究智能进化的重要基础之一,一直是人们关注的热点问题。近年来... 详细信息

大脑皮层作为哺乳动物大脑中最为复杂的结构之一,是高级神经活动的物质基础。大脑主导机体内一切活动过程,人们对大脑的研究已有几个世纪的历史。大脑的跨物种对比分析作为研究智能进化的重要基础之一,一直是人们关注的热点问题。近年来,随着生物和信息技术的发展,对大脑的研究已经达到细胞和分子水平,研究人员已经开始基于单细胞转录组测序等技术解析小鼠、灵长类动物和人类的脑细胞图谱,然而目前的研究局限在初级运动皮层和颞中回等个别脑区,更多脑区及跨物种的比较分析亟待探索与解决。本研究利用单核测序技术获得了5个成年人14个脑区的229263个单细胞转录组数据,同时收集了2个猕猴脑区22601个单细胞和15个小鼠脑区10万个单细胞的转录组数据。本研究基于这些数据进行了跨物种的脑细胞图谱比较分析,主要包括三方面内容:首先,基于基因表达特征的脑细胞类型鉴定及功能注释构建多物种脑细胞转录组图谱;其次,根据物种间保守的同源基因识别不同物种间同源的脑细胞亚群;最后,基于物种特异性脑细胞亚群及标志基因的筛选揭示物种智能发育的潜在分子基础。对于三个物种,脑细胞在被划分为兴奋性神经元、抑制性神经元和非神经元的基础上,又进一步划分为不同的细胞亚群。人类142个细胞簇被划分为19个细胞亚群,猕猴96个细胞簇被划分为18个细胞亚群,小鼠206个细胞簇被划分为23个细胞亚群;且在每个物种中兴奋性神经元占比更多。在三个物种中,我们筛选了共3769个同源基因。虽然在同源细胞类型方面,猕猴、小鼠能与人较好地匹配,但是在细胞簇的数量、分布和多样性等方面仍存在不同。富集分析则表明在进化中细胞发生的差异出现在神经元的分化和发育,细胞的粘附、运动和迁移,细胞凋亡,离子稳态和信号传导等通路。综上所述,本研究通过构建人、猕猴和小鼠三个物种的脑细胞图谱并进行跨物种的细胞同源性对比分析,以加强对大脑认知能力和疾病易感性的理解,增进对大脑进化和脑疾病发病机制的理解,并在一定程度上解释模式动物在医学和临床试验的结果无法高效应用于人的原因,帮助生物建模。

关键词：单细胞转录组测序单细胞核转录组测序大脑跨物种

HIV-1跨物种的鼠类细胞模型感染与病毒复制研究

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HIV-1跨物种的鼠类细胞模型感染与病毒复制研究

作者：梁娟桂林医学院

学位级别：硕士

目的:制备HIV-1跨物种快速易感、病毒高效复制的鼠类细胞模型。此细胞模型可用于移植鼠体内制备HIV-1感染的鼠类动物模型,以实现HIV-1跨物种鼠类动物模型的感染研究及促进HIV-1抗病毒药物筛选及疫苗制备等研究。方法:首先,应用hCD4/hCCR... 详细信息

目的:制备HIV-1跨物种快速易感、病毒高效复制的鼠类细胞模型。此细胞模型可用于移植鼠体内制备HIV-1感染的鼠类动物模型,以实现HIV-1跨物种鼠类动物模型的感染研究及促进HIV-1抗病毒药物筛选及疫苗制备等研究。方法:首先,应用hCD4/hCCR5/hCyclin T1慢病毒感染鼠白血病细胞株L1210细胞,实现L1210细胞高效表达HIV-1感染所需的受体hCD4、辅助受体hCCR5及Tat蛋白驱动因子hCyclin T1。其次,HIV-1感染阳性克隆L1210细胞,通过检测细胞内及细胞培养上清液中的HIV-1 RNA,验证阳性克隆L1210细胞对HIV-1的易感性及病毒复制情况。最后,将上步骤细胞培养上清液进行CEMx174细胞的感染试验,以证实HIV-1子病毒是具有感染能力的活病毒。结果:hCD4/hCCR5/hCyclin T1慢病毒感染L1210细胞后,L1210细胞高表达hCD4、hCCR5和h Cyclin T1 mRNA及相应蛋白。HIV-1感染阳性克隆L1210细胞后,HIV-1 RNA在阳性克隆L1210细胞内及细胞培养上清液中高表达。细胞培养上清液感染CEMx174细胞后,HIV-1 RNA在CEMx174细胞内高表达。结论:本课题成功构建了HIV-1跨物种易感的鼠类细胞模型,此细胞模型高效表达HIV-1感染所需的受体hCD4、辅助受体hCCR5和促转录因子hCyclin T1,使HIV-1能快速感染、病毒高效复制并分泌出具有感染能力的子代病毒。为下一步HIV-1跨物种感染鼠类动物模型的研究提供了坚实基础,也为HIV/AIDS的发病机制、抗病毒药物筛选及疫苗制备等研究提供了一个新的细胞模型。

关键词： HIV/AIDS 鼠白血病细胞株L1210 hCD4/hCCR5/hCyclin T1慢病毒跨物种 HIV-1易感

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基于机器学习的跨物种脑网络发育模式研究

基于机器学习的跨物种脑网络发育模式研究

作者：王岩松电子科技大学

学位级别：硕士

研究跨物种大脑发育模式可以更好地帮助人们理解为什么人类成为了独立于自然界之上的高级动物,而同样也可以帮助人们更好地探索大脑,为医学领域及其他多个领域带来很大帮助。随着磁共振技术以及机器学习的发展,研究者们可以更好地将对... 详细信息

研究跨物种大脑发育模式可以更好地帮助人们理解为什么人类成为了独立于自然界之上的高级动物,而同样也可以帮助人们更好地探索大脑,为医学领域及其他多个领域带来很大帮助。随着磁共振技术以及机器学习的发展,研究者们可以更好地将对大脑的研究转化为对脑网络的研究,从而更容易地探索大脑。本文通过对比主成分分析、独立成分分析和非负矩阵分解三种方法在583个猕猴和655个人类结构磁共振数据集上划分成分的能力,从稀疏性、不连贯性、重构误差、成分可解释性和加载系数可解释性五个指标来选择研究要使用的多变量分析方法。最后发现了非负矩阵分解在划分结构脑网络的优越性,并选择使用正交非负矩阵分解方法,划分出了12个人类结构脑网络和17个猕猴结构脑网络。通过将结构脑网络投射到其所对应的膨胀平均模板大脑上,与大脑的解剖学结构进行对应,证明了划分出来的结构脑网络基本上是高度不重叠的,并且有着很强的生物学解释性。本文利用划分出的人类和猕猴结构脑网络进行发育模式研究,通过12个人类结构脑网络与7个人类功能网络,以及17个猕猴结构脑网络与10个猕猴功能网络进行重叠分析。结果表明,人类大脑左侧距状裂周围皮层与视觉功能网络、大脑右内侧和旁扣带脑回与腹侧注意网络、大脑右侧颞下回与边缘网络、大脑右侧岛盖部额下回与额顶网络皆有着很强的关联性。而猕猴大脑右侧楔叶、右侧颞下回、右侧顶上小叶和右侧舌回,与猕猴视觉功能网络也有着很强的关联性。本文通过大脑在发育过程中灰质体积的改变,利用划分出的结构脑网络,来研究跨物种脑网络发育模式。结果表明,人类和猕猴大脑灰质体积的改变与年龄更多地呈现出一种二次非线性效应。其中,人类存在灰质体积随着年龄增长而线性单调递减和先减后增两种发育模式。而人类灰质体积随年龄增长先减后增的区域更多,且这些区域在19岁之后普遍到达低谷。猕猴存在四种发育模式,分别是灰质体积随着年龄增长而线性单调递减、非线性单调递减、先增后减和先减后增。而猕猴灰质体积随年龄增长先增后减的区域更多,且这些区域在1-3岁之间达到峰值。

关键词：跨物种非负矩阵分解结构脑网络发育模式

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梭状回的跨物种脑图谱研究

梭状回的跨物种脑图谱研究

作者：南飞彪电子科技大学

学位级别：硕士

梭状回是腹侧颞叶上一个十分重要的区域。最近的研究表明,梭状回在语言和面部识别等高级认知功能中扮演了重要角色。另外,在猴子及猩猩面部识别任务的研究中,没有证据表明梭状回参与了面部识别功能。因此,从进化的角度研究梭状回结构和... 详细信息

梭状回是腹侧颞叶上一个十分重要的区域。最近的研究表明,梭状回在语言和面部识别等高级认知功能中扮演了重要角色。另外,在猴子及猩猩面部识别任务的研究中,没有证据表明梭状回参与了面部识别功能。因此,从进化的角度研究梭状回结构和连接不对称性对理解人类大脑特异性功能的起源具有重要意义。本文利用多模态磁共振成像数据,构建梭状回的跨物种脑图谱,并对每个物种梭状回子区的不对称性进行研究,寻求在进化过程中大脑所发生的变化。本文的主要成果如下:1.构建了跨物种梭状回脑图谱。本文利用27个黑猩猩及8个猕猴磁共振数据,采用基于连接信息的脑区划分方法,用谱聚类算法将黑猩猩和猕猴的梭状回划分为三个子区。黑猩猩的三个梭状回子区沿前后方向依次排列,分别为前侧、中侧、后侧子区;猴子的三个梭状回子区呈三角状排列,分别为前侧、后内侧和后外侧子区。先前的研究将人类梭状回划分为三个子区,分别为前侧、后内侧和后外侧子区,与猴子的排列模式相似。综上,我们得到了梭状回的跨物种脑图谱。2.研究了跨物种梭状回脑图谱的不对称性。本文首先从结构、功能连接及结构连接三个方面计算了人类梭状回子区的不对称性,寻求脑区的不对称性与已知功能不对称性之间的联系;对于每个物种,本文对梭状回子区采用概率纤维追踪,研究了每个子区的结构连接(分为子区与全脑、子区与目标区两部分)不对称性,寻求在进化过程中大脑发生的变化。本文发现,人类后内侧子区存在向左不对称性,这可能与人类语言功能的不对称性有关;后外侧子区存在向左和向右不对称性,这可能表明其与情绪、语言等多种具有不对称性的功能有关;前侧子区的不对称性强度较弱。猴子的后内侧子区也表现出向左的不对称性,后外侧子区同样表现出向左和向右的不对称性,黑猩猩则几乎没有表现出不对称性。猴子的不对称性分布与人类具有相似性,这可能与简单的社会交流功能有关。综上所述,人类与猴子的梭状回在子区划分及子区不对称性都具有一定程度的相似性,这表明了猴子与人类大脑的同源性,对进一步研究人类高级认知功能的起源具有一定价值。

关键词：跨物种梭状回大脑不对称性概率纤维追踪脑图谱

动植物miRNA实现跨物种基因调控的研究进展

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畜牧与饲料科学 2022年第2期43卷 7-13页

作者：孟桂智刘宝宝李雅辉马燕芬王兴平马云蔡小艳宁夏大学农学院/宁夏回族自治区反刍动物分子细胞育种重点实验室宁夏银川750021

近年来,有研究发现动物体内存在一类非自身的miRNA,这类miRNA主要是随着食物进入,并在动物体内发挥一定的调控功能,这一研究发现可为从植物中提取特殊物质作为添加剂或是为探究中草药治疗疾病的作用机理提供一定的理论支持,拓宽了外源... 详细信息

近年来,有研究发现动物体内存在一类非自身的miRNA,这类miRNA主要是随着食物进入,并在动物体内发挥一定的调控功能,这一研究发现可为从植物中提取特殊物质作为添加剂或是为探究中草药治疗疾病的作用机理提供一定的理论支持,拓宽了外源性动植物miRNA的研究方向。从动植物miRNA的形成过程、结构特点、跨物种后稳定性、组织特异性表达、靶基因结合方式、生物学功能以及跨物种调控等方面,系统阐述了动植物miRNA进行跨物种调控的作用机制及研究进展,对动植物miRNA未来的研究方向和应用进行了展望,以期为miRNA在疾病治疗和营养补充方面的开发利用提供参考。

关键词： miRNA 跨物种基因调控跨物种后稳定性组织特异性

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戊型肝炎病毒跨物种感染的研究进展

国际流行病学传染病学杂志 2008年第2期35卷 120-122,128页

作者：陶薇陈勇洪艳浙江省医学科学院生物工程研究所杭州310013 浙江省医学高等专科学校杭州310053

HEV是引起经肠道传播的戊型肝炎的病原体，已经在多种动物体内检测到。最近，研究者们发现HEV可能跨越物种屏障感染人类，这就极大地提高了人群感染HEV的风险，威胁到人类的健康。因此，对于HEV种间感染的研究将为今后控制和预防HEV由... 详细信息

HEV是引起经肠道传播的戊型肝炎的病原体，已经在多种动物体内检测到。最近，研究者们发现HEV可能跨越物种屏障感染人类，这就极大地提高了人群感染HEV的风险，威胁到人类的健康。因此，对于HEV种间感染的研究将为今后控制和预防HEV由动物经多种途径感染人类提供依据和方向。

关键词：肝炎病毒,戊型感染跨物种人畜共患