基于系统生物学研究同义突变在癌症中的作用和蛋白间相互作用的预测

摘要

癌症，作为目前危害人类健康的最大杀手，从被发现开始，人们便进行了大量的研究。然而，直到现在，癌症的死亡率仍在不断攀升，对于癌症病发机制的研究仍未取得突破性进展。体细胞突变理论是目前人们对癌症的普遍认知之一。基于这一理论和基因测序技术的发展，人们从分子层次上，对癌症有了更深入的了解。但是，这同时也直接导致了关于癌症数据的大爆发。如何基于大量的实验数据，整合分析并建立相应的模型，系统且定量的揭示生物系统的内在机制并为实验提供理论指导，是系统生物学的核心思想。通过运用系统生物学相关理论，我们对目前生物学上存在的如下两个问题进行了研究。
　　1.同义突变与癌症病发的关联性
　　长期以来，在对疾病和基因突变的关联性分析过程中，由于同义突变不影响所编码的蛋白质产物，一直不被人们所关注。然而，近些年越来越多的研究表明，同义突变同样可能通过诸多过程对细胞的正常生理功能产生影响，从而引起疾病的发生。我们基于TNF-α诱导的细胞存活及凋亡信号网络，模拟得出了介导细胞存活和凋亡的TNF-α关键剂量，该关键剂量决定了细胞的生死。基因突变会通过影响信号网络中蛋白的反应过程，改变信号网络的TNF-α关键剂量，从而影响了细胞的生死。蛋白质的反应过程可以通过模型的反应参数来表征。因此，我们进一步建立了TNF-α关键剂量参数的敏感性与基因突变的关联性。基于该关联性，我们分别研究了在9种不同癌症中，基因的无义突变、错义突变以及同义突变与对应模型参数敏感性的关联性。结果表明，在某些情况下，与错义突变和无义突变相比较，癌基因的同义突变数据与模型参数的敏感性具有更好的关联性。此外，当考虑癌症是一种由多种体细胞突变类型引起的基因疾病时，通过引入同义突变，9种癌症中的6种对应基因的突变数据与模型的参数敏感性具有更好的相关性，另外3种呈现出类似的相关性。上述结果揭示了，除了错义和无义两种类型的突变，同义突变对于癌症发生的作用同样不能被忽视。
　　2.蛋白质间相互作用的预测
　　长期以来，确定细胞中蛋白质间的相互作用及细胞是如何通过该相互作用行使生理功能是目前生物学领域的关键问题。虽然这些技术在研究细胞内的生理过程中扮演着至关重要的角色，但由于这些技术方法存在诸多的局限性，会引起一定程度上的测量误差甚至是错误等问题。基于模型参数敏感性和对应基因突变数据的相关性，我们分析了两者间汉明距离产生的原因可能是由于信号网络中的蛋白质间存在其它的相互作用。我们进一步证实了当考虑Caspases对存活模块的核心蛋白NFκB进行负反馈调控作用时，9种癌症中有8种的汉明距离会在一定作用强度范围内不同程度的减小，而正反馈调控并不会影响汉明距离。因此，我们预测了对于TNF-α诱导的信号通路，信号通路中的凋亡起始蛋白Caspase8和凋亡执行蛋白Caspase3，6三者紧密的结合成为一个Caspases模块，这个模块可以直接或间接的通过某些相互作用来抑制NFκB，影响相关抗凋亡基因表达的活性，这样的抑制效果为细胞从存活走向凋亡提供了潜在的机制，同时这一结论也被诸多实验所证实。

目录

声明

摘要

第一章 生物学背景

1 癌症和基因突变

1．1 癌症简介

1．2 体细胞突变

1．3 同义突变和疾病发生

2 肿瘤坏死因子α(TNF-α)

2．1 TNF-α简介

2．2 TNF-α诱导细胞存活

2．3 TNF-α诱导细胞死亡

3 蛋白质相互作用

3．1 现有的实验技术及其不足

3．2 存活和凋亡的关联性

4 本章小结

第二章 研究方法

1 背景介绍

1．1 系统生物学简介

1．2 系统生物学和生物实验

1．3 理论分析和发展趋势

2 研究方法

2．1 信号网络模型的构建

2．2 米曼方程

3 系统生物学在癌症中的应用

3．1 细胞存活网络模型

3．2 细胞凋亡网络模型

3．3 细胞增殖网络模型

3．4 细胞侵袭网络模型

3．5 胃癌细胞信号网络模型

3．6 乳腺癌细胞信号网络模型

4 本章小结

第三章 基因突变与信号网络模型参数的相关性

1．TNF-α诱导的细胞存活及凋亡信号

2 TNF-α信号网络模型的构建与实验支持

2．1 模型构建

2．2 模拟结果及实验支持

3 关键的TNF-α剂量

4 关键TNF-α剂量与癌基因突变的关联

4．1 假说的提出

4．2 关键TNF-α剂量参数敏感性的分析

4．3 癌基因突变数据的选取

4．4 模型参数与癌基因的对应关系

4．5 布尔代数和汉明距离的引入

4．6 结果及讨论

5．同义突变与癌症的关联性

5．1 单一类型突变与参数敏感性的关联性分析

5．2 多类型突变与参数敏感性的关联性分析

6．本章小结

7．附录

第四章 蛋白质间相互作用的理论预测

1 汉明距离产生的因素

1．1 癌症是伴有多种基因突变的疾病

1．2 目前信号网络中蛋白相互作用的不完善

2 凋亡信号与存活信号的关系

2．1 正反馈与负反馈的引入

2．2 反馈作用强度范围的确定

2．3 Casapses对NFκB的调节机制

3 本章小结

第五章 总结与展望

1．1 同义突变与癌症的发生

1．2 Caspases对NFκB的抑制作用

1．3 基因突变以外的其它癌症理论

参考文献

攻读博士学位期间完成的论文

致谢