细菌转录调控网络的空间结构组织特征

摘要

转录调控网络(transcriptional regulation network，TRN)是由转录因子(transcription factors，TF)和其目标基因的调控关系所构成的有向网络，是原核生物接收、处理、响应内外界环境信息的中枢。目前TRN研究主要集中在网络拓扑结构以及动力学功能两方面。然而，在构建动力学模型时，由于实验数据的缺乏，基因的空间分布以及转录因子搜索目标基因所需的时间往往被忽略。随着转录因子运动机理逐渐明晰，人们发现转录因子综合了扩散、滑动、跳跃以及节间转移等多种运动方式来寻找目标基因。单个转录因子搜索目标基因的时间远远超出之前的预料。同时，现有结果表明转录因子与目标基因的相对位置会影响转录的活性和鲁棒性。因此，细菌TRN的空间结构可能在进化过程中被优化以更好地发挥生物功能。
　　近些年来，大肠杆菌、枯草芽孢杆菌等细菌的三维基因组相继发表，使基因组规模的TRN空间结构特征研究成为可能。本研究以大肠杆菌和枯草芽孢杆菌为研究对象，通过整合TRN和三维基因组数据，在转录调控方式、网络关键节点、网络层级以及网络模体等多个方面探究了TRN的空间组织形式。本研究发现TRN在不同生理条件下存在多种稳定的空间组织特征:1）具有正调控关系的基因间的交互频率显著小于具有负调控关系的基因;2）调控其他基因较多的枢纽节点(Out-Hub nodes)以及瓶颈节点(Bottleneck nodes)都远离与它们有调控关系的节点;3）网络中Middle-Bottom-Target层级间的距离具有特定的空间结构组织模式;4）网络模体内部基因间的空间距离较TRN内部基因间的空间更为接近。这些发现表明细菌TRN的空间结构在多个层面存在优化，这些优化可能与细菌的基本生命活动有着密切的关系。

目录

声明

摘要

英文缩略语表(Abbreviations)

1．前言

1．1 转录调控网络

1．2 转录因子的运动方式及模型

1．3 细菌三维基因组

1．4 研究的目的和意义

2．数据和方法

2．1 三维基因组数据分析

2．1．1 数据的来源和处理

2．1．2 交互矩阵的归一化和可视化

2．1．3 重建染色体三维空间结构

2．2 转录调控网络分析

2．2．1 构建转录调控网络

2．2．2 寻找网络关键节点

2．2．3 划分网络层级

2．2．4 寻找网络模体

2．3 整合转录调控网络和三维基因组数据

2．4 工具软件

3．结果与分析

3．1 转录调控网络正负调控方式

3．2 转录调控网络的关键节点

3．3 转录调控网络的层级结构

3．4 转录调控网络中的模体

4．讨论

4．1 交互矩阵还是结构模型?

4．2 转录调控网络基因组一维排布规律

4．3 转录调控网络的重连

4．4 转录调控网络的动力学验证

4．5 原核三维基因组实验技术

4．6 总结

参考文献

附录

致谢