自噬表型分析平台开发与数据库构建

论文摘要

细胞自噬是真核生物中高度保守的对细胞内物质进行周转的重要过程,细胞通过动态调控自噬相关蛋白及翻译后修饰来维持各种物质/细胞器在合成、降解和重新利用之间的代谢平衡。细胞自噬作为维持细胞稳态的重要生物过程,受到上游多个生物学过程的调控,例如细胞自噬逐渐被认为受到生物钟和营养信号的双重调控而表现出昼夜节律的周期性振荡,保证机体的代谢活性与外界环境变化及摄食周期协调一致。自噬过程缺陷和生物钟紊乱均被证明与健康长寿、神经退行性疾病和癌症的发生发展过程密切相关,表明昼夜节律的细胞自噬可能对细胞定期清除受损的物质和细胞器、维持机体的健康生理状态发挥着重要作用。近年来,从正向遗传学鉴定表型变化到反向遗传学深入研究分子组分,为深刻理解细胞自噬和昼夜节律的调控机制提供了大量的实验数据和理论基础,尤其是近几年高通量技术的快速发展促进了大规模鉴定转录层面和翻译后修饰层面的调控信息。如何收集整理这些数据对细胞自噬与昼夜节律的调控关系进行系统分析和建立快速有效的自噬功能筛选平台是该领域亟需解决的问题。因此,本文基于荧光显微镜观测方法开发了自噬表型预测工具,并对细胞自噬和昼夜节律基因进行了系统的整合和生物信息学研究。由于酵母细胞具有清晰的遗传背景和便携的遗传操作以及自噬过程的高度保守,酵母成为目前自噬研究最充分的模式生物。虽然酵母中已经发展出多种成熟的自噬观测方法,但目前尚且没有一种适用于大规模自噬调控基因的筛选。基于GFP-Atg8的荧光显微镜观测方法可以作为一种衡量细胞自噬活性的相对准确的定量方法,但细胞计数过程不仅耗时费力而且易于出错,因此本文基于深度学习网络框架开发了独立的软件包DeepPhagy实现对酵母细胞自噬表型的预测和定量分析,并提供在http://deepphagy.biocuckoo.org免费下载。通过与其他工具比较对单个细胞自噬表型的预测性能,以及与传统生化实验方法比较对定量酵母自噬活性方面的准确性,表明DeepPhagy是一个预测酵母细胞自噬表型的十分有用的工具。最后,通过系统分析Atg蛋白之间的相互作用信息,发现表型最显著的Atg蛋白均为自噬过程中的核心组成成分,且在人类中高度保守。昼夜节律是生物体的各种生理机能为了适应外界环境的昼夜变化而建立起的规律周期。从最简单的单细胞蓝绿藻细菌到植物,无脊椎动物,以及最高级的人类,都需要通过一系列节律振荡的生物钟基因及其蛋白所构成的多重转录/翻译反馈环路来保证昼夜节律维持在近24小时的周期。本文首先从文献中收集了1382个通过低通量方法鉴定的昼夜节律基因,其中一些基因已经被证明直接或间接参与昼夜节律的调控过程,同时,本文从高通量数据中也收集了26,582个昼夜节律基因,这些基因作为潜在受生物钟调控的基因,能提供生物钟功能的相关信息。此外,本文也鉴定了低通量方法鉴定的昼夜节律基因对应的蛋白质在148个真核物种中的直系同源蛋白质,并整合了所有昼夜节律基因的节律信息,原文献描述信息,翻译后修饰、原始参考文献、直系同源关系等信息,最终构建了一个包含72,800个昼夜节律基因信息的综合数据库CGDB 1.0,在线网址为http://cgdb.biocuckoo.org。在以上研究结果基础上,本文进一步对实验验证的参与细胞自噬调控过程的基因进行系统的整合和分析,这些数据被进一步收录到THANATOS数据库（http://thanatos.biocuckoo.org/）中提供用户检索和查阅。随后本文提取出昼夜节律振荡的自噬基因（昼夜节律自噬基因）,应用生物信息学方法分析小鼠和人中昼夜节律自噬基因的功能,最后通过在小鼠自噬调控信号通路中将昼夜节律自噬基因的自噬调控模式及昼夜节律信息进行可视化。本工作通过开发自动化的荧光图像分析工具,结合高通量的荧光显微镜观测方法,建立了大规模筛选自噬调控基因的平台。同时,本工作收集整合了参与昼夜节律和细胞自噬的基因,并针对昼夜节律自噬基因进行了系统的功能分析和可视化,为今后深入研究和理解昼夜节律与细胞自噬的调控机制提供了新的研究思路。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
•   1.1 细胞自噬简介
•   1.2 细胞自噬的研究方法
•   1.3 细胞自噬的生物信息学研究
•   1.4 昼夜节律调控细胞自噬过程
•   1.5 研究思路和主要内容
• 2 细胞自噬表型分析平台开发
•   2.1 引言
•   2.2 实验材料和方法
•   2.3 结果分析与讨论
•   2.4 本章小结
• 3 昼夜节律调控自噬的系统生物学分析
•   3.1 昼夜节律基因数据库开发
•   3.2 昼夜节律自噬基因的系统整合与分析
•   3.3 本章小结
• 4 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士期间发表的论文
• 附录2 攻读博士期间参加的学术会议

文章来源

类型: 博士论文

作者: 张颖

导师: 薛宇

关键词: 酵母自噬,自噬表型,深度学习,昼夜节律,昼夜节律自噬基因,数据库

来源: 华中科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 生物学,计算机软件及计算机应用

单位: 华中科技大学

分类号: Q811.4;TP311.13

DOI: 10.27157/d.cnki.ghzku.2019.000159

总页数: 113

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