微阵列数据的元分析及其在猪重要经济性状遗传机制研究中的应用

摘要

猪的肉质、胴体与繁殖性状都是重要的经济性状，但由于其测量难度大或遗传力较低等因素，现有之QTL定位和候选基因法研究进展缓慢。目前，微阵列技术已成为在基因组水平研究基因表达的最有力工具之一，与之相对应的微阵列数据库也逐步建立并完善起来。但是现有微阵列实验存在下列特点：一是多集中于模式生物（如小鼠）和人，而在猪等其他动物方面却因芯片技术平台尚未完善、成本昂贵等而没有广泛开展；二是几乎都存在着样本数太小的问题，但在模式生物和人方面对于相同问题经常存在许多重复或者类似研究。与此同时，猪QTL数据库日趋完善，已逐渐成为猪业科学研究的宝库。
　　有鉴于此，本研究拟利用公共数据库GEO中已有模式生物和人相关微阵列数据结合元分析方法以及猪QTL数据库，探索出一条猪重要经济性状遗传机制研究的新途径。为此，本研究开展了下列工作：
　　一、Atp7b基因敲除小鼠基因表达谱分析：铜是影响猪新陈代谢和生产性能的重要矿物质元素之一，并与铁共同作用对肉质性状产生影响。目前，基因芯片技术已经被广泛地应用于研究Atp7b基因敲除小鼠所引发的高铜效应模型中，然而从这些表达谱数据中如何探寻与高铜效应相关的通路以及通路上的转录因子及其共表达模式依然是我们面临的一个显著问题。在此，我们利用基因集富集分析（Gene set enrichment analysis, GSEA）的方法来分析Atp7b敲除小鼠的微阵列数据并进行候选转录因子的选择，以期寻找到显著相关的通路及转录调控因子。最终，我们鉴定出了16个上调通路如色氨酸代谢和细胞循环通路以及15个下调通路如三羧酸循环和PPAR信号通路，作为高铜效应的靶通路。另外，针对上述显著性相关通路，我们构建了共表达通路网络，包含显著性基因和转录因子，其中，SREBP和PPAR蛋白家族可作为我们的核心转录因子。这些都有助于我们系统化地了解和阐释小鼠肝脏组织高铜效应的分子机制，并对探索猪肉质或胴体性状的遗传机理具有一定的指导意义。
　　二、PPARα敲除小鼠肝和小肠组织表达谱的比较基因组学研究：通过对PPARα敲除小鼠肝脏和小肠组织表达谱芯片数据的整合分析，我们筛选出了12个PPARα依赖性的和4个PPARα非依赖性的在小肠组织和肝脏组织中高度重叠的通路。其中，大多数通路是与代谢功能相关的，如PPARα依赖性的脂肪酸代谢通路、色氨酸代谢通路和丙酮酸代谢通路以及PPARα非依赖性的糖质新生通路和丙酸代谢通路。而PPAR信号通路同属于Atp7b或PPARα敲除情况下的显著下调通路，因此可作为我们进一步研究猪肉质或胴体性状遗传机制的候选通路。
　　三、PPAR信号通路与猪肉质和胴体性状的关联分析：结合猪QTL数据库，在PPAR信号通路中我们鉴定出了13个与猪肉质或胴体性状QTL相关的SNP位点，并通过构建混合线性模型在该通路整体水平上研究其与测定的33个杜长大三元杂交商品猪群体的10种肉质或胴体性状之间的关联，结果发现PPAR信号通路上的加性效应显著性影响8种性状表型，并构建一般线性模型结合多元多重回归分析以及MB-MDR方法研究其与SNP位点间的相关；另外，针对与PPAR信号通路存在着极显著相关的脂肪含量性状，我们分别对33个样本在其通路水平上的加性效应值进行了估计，这将为我们进一步的选种选配提供更加准确的理论依据。由此总结出一套基于模式生物微阵列数据整合分析的候选通路法研究策略。
　　四、候选通路法在猪繁殖性状研究中的应用：利用GEO数据库中关于高繁殖力小鼠的微阵列数据，运用GSEA的方法结合猪QTL数据库在通路水平上筛选出与高繁殖力相关的基因，并映射出具有繁殖类QTL注释信息的猪基因。
　　五、三种哺乳动物早期胚胎发育过程基因表达谱的整合分析：哺乳动物的早期胚胎发育过程对于着床和妊娠的成功是极为重要的，是影响繁殖性状的基础阶段。我们利用公共数据库GEO中关于人、小鼠和牛的早期胚胎发育过程的基因表达谱数据，并基于显著性分析以及功能注释进行时间序列基因表达数据的比较基因组学研究，从而揭示了三种哺乳动物早期胚胎发育过程基因表达调控机制的差异，并通过功能注释和通路分析鉴定出了在胚胎早期发育不同阶段存在的一些重要因子及相关通路。其中，脂肪酸代谢通路可作为进一步研究猪繁殖性状遗传机制的候选通路。
　　综上所述，本文围绕猪肉质、胴体和繁殖性状，构建了一套基于模式生物微阵列数据整合分析的候选通路法（Candidate Pathway Approach, CPA）研究策略，即通过对人和小鼠等模式生物相关芯片数据的整合分析，筛选出了与肉质、胴体和繁殖性状显著相关的候选通路，并采用比较基因组学的方法结合猪QTL数据库，将所发现的相同通路和基因映射到猪染色体上，并对猪同源基因进行注释。这些通路和基因可作为研究影响猪肉质、胴体和繁殖性能的候选通路或基因集，并在通路水平上构建其与相关性状的关联。这样将有助于我们更加深入而有效地研究猪肉质、胴体和繁殖性状的遗传机制。

目录

封面

中文摘要

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目录

1 导 论

1.1研究背景

1.2研究动态

1.3目的与意义

2 Atp7b基因敲除小鼠基因表达谱分析

2.1引言

2.2材料与方法

2.3结果与讨论

2.4结论

3 PPARα敲除小鼠肝和小肠组织表达谱的比较基因组学研究

3.1引言

3.2材料与方法

3.3结果与讨论

3.4结论

4 PPAR信号通路与猪肉质和胴体性状的关联分析

4.1引言

4.2材料与方法

4.3结果与讨论

4.4结论

5 候选通路法在猪繁殖性状研究中的应用

5.1引言

5.2材料和方法

5.3结果与讨论

5.4结论

6 哺乳动物早期胚胎发育过程表达谱数据的整合分析

6.1引言

6.2材料和方法

6.3结果与分析

6.4结论

7 结语

7.1课题结论

7.2课题研究展望

参考文献

附录

附录1 论文中应用的生物学相关软件以及数据库

附录2 论文中附表

致谢

攻读博士学位期间发表或录用的论文

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