一个973标书范本

项目名称：代谢生理活动与病理过程中信号转导网

络的系统生物学研究

首席科学家：****

起止年限：2011.1至2015.8

依托部门：中国科学院上海市科委

二、预期目标

总体目标：

建立面向重要代谢生理活动与病理过程中相关信号转导网络识别、重构与分析的高通量定量数据获取的技术平台，在蛋白质作用网络，翻译后修饰、基因表达调控、表观遗传研究等规模化数据方面发展出原创和集成的理论计算方法、新算法。在信号转导网络的结构与功能研究方面取得重要突破；揭示信号转导网络在机体代谢平衡、代谢性疾病发生发展的分子细胞作用机制；构建干细胞定向为白色前脂肪细胞和棕色前脂肪细胞过程中的信号转导调控网络；在白色脂肪与棕色脂肪的起源、相互转换研究方面取得突破；明确白色脂肪与棕色脂肪细胞定向分化中的信号网络的异同，并揭示其与代谢系统疾病发生和发展之间的关系，深入阐述BMP信号转导网络介导的脂肪细胞生长与分化机制及其在代谢生理活动与病理过程中的功能；揭示出GPCR信号转导途径与其它代谢相关的信号途径的新的相互作用关系，及其在正常生理与病理条件下的作用机制，为抗击代谢性疾病提供新方法和潜在药靶。

五年预期目标：

1、构建干细胞定向为白色前脂肪细胞和棕色前脂肪细胞过程中的信号分子调控网络，明确白色脂肪与棕色脂肪细胞定向分化中的信号网络的异同；在白色脂肪与棕色脂肪的起源研究和相互转换研究方面取得突破；揭示白色脂肪与棕色脂肪与代谢系统疾病发生和发展之间的关系；深入阐述BMP信号转导网络介导的脂肪细胞生长与分化机制及其在代谢生理活动与病理过程中的功能。

2、揭示出GPCR信号转导途径与其它代谢相关的信号途径的新的相互作用关系，发现与鉴定新的交互作用，发现这些新的交互作用在正常生理与病理条件下的作用及其机制；为抗击代谢性疾病提供新方法和潜在药靶。

3、建立重要代谢生理活动与病理过程中相关信号转导网络识别、重构与分析的高通量定量数据整合与挖掘方法；在蛋白质作用网络，翻译后修饰、基因表达调控、表观遗传研究等规模化数据方面发展出原创和集成的理论计算方法、新算法。

4、建立系统生物学研究的规模化数据获取与分析平台，包括基于体内或体外多重分子标记的高精度和高灵敏度的蛋白质多重精确定量方法；蛋白质非标记的多元定量技术和绝对定量方法；规模化蛋白质修饰和动态行为定量研究技术；依托新一代测序技术平台，完善基因组重测序和基因组修饰等高通量实验技术平台。

5、形成国内高水平的系统生物学研究团队，培养30名以上的博士和博士后等青年科技人员。

6、在国际专业学术刊物上发表60篇以上的研究论文，争取有6篇文章在Cell、Nature、Science和它们的系列刊物上发表。

7、开发5-10个具有自主知识产权的新技术新方法；申请新算法专利、软件及数据库版权登记30项以上。

三、研究方案

（一）总体思路：

1、针对性：发挥我们在系统生物学研究领域的研究特色、优势和前期基础，重点研究重要代谢生理活动与病理过程中信号转导网络。

本项目选择前期有较好研究基础的小鼠、果蝇和脂肪干细胞等功能系统模型，重点开展BMP信号转导网络和GPCR信号转导在代谢生理活动与病理过程中的功能研究。

2、整体性：通过模式生物和细胞等功能系统，整合各种“组学”研究技术平台和理论分析平台，从整体水平上研究信号转导网络对转录组、蛋白质组和代谢组的调控功能以及它们之间的相互作用。

本项目根据系统生物学研究的特点，采用整合基因组、转录组、蛋白质组和代谢组等“组学”实验研究技术平台，充分利用计算生物学和生物信息学的计算、建模和数据整合分析技术和方法，从模式生物和细胞等功能系统的整体水平上研究重要代谢生理活动与病理过程中基因和蛋白质的功能以及它们之间的调控网络。

3、动态性：应用系统生物学的分析策略，从演化的角度对这种复杂的生命系统生物学功能进行连续的和动态的追踪。

本项目从演化的角度对这种复杂的生命系统生物学功能进行连续的和动态的追踪；将细胞水平、组织水平和个体水平的研究紧密的整合在一起，力争通过在不同尺度上分析细胞内的分子网络的结构与动力学，识别重要的功能模块、深刻认识其动力学机制，揭示出模式生物和细胞等功能系统生物学功能过程的动态的分子网络谱。

4、转化性：将信号转导网络的基础研究与肥胖和2型糖尿病等代谢性疾病发生发展机制的研究紧密结合，注重发现关键的生物标志物、药物作用潜在靶点。

本项目将按照“转化型研究”的特点来开展研究。从选定的模式生物和细胞等功能系统出发，针对肥胖和2型糖尿病等代谢性疾病发生发展的科学问题，从特

定的信号转导网络的角度展开研究，争取发现关键的生物标志物、药物作用潜在靶点，并力图为代谢系统疾病的分子分型、检测、干预和治疗提供实质性的研究基础。

（二）技术路线及可行性：

技术路线：

1、基于BMP信号转导网络的脂肪细胞生长与分化机制及其在代谢生理活动与病理过程中的功能研究

（1）提取多潜能干细胞C3H10T1/2向前脂肪细胞定向过程中在不同时间点的基因组DNA，利用Illumina/Solexa进行测序，并研究DNA甲基化变化；利用生物信息学分析规模化的序列数据；然后选择代表性的序列修饰，用直接测序法进行验证。选择感兴趣的基因在细胞和个体水平进行功能研究。

（2）利用常规的分子细胞生物学方法，研究BMP4信号转导网络在多潜能干细胞C3H10T1/2定向为白色前脂肪细胞和棕色前脂肪细胞过程中的关键调控分子，并采用基因芯片技术研究信号通路调控下的基因表达谱。

（3）利用慢病毒表达技术，研究目标microRNA在C3H10T1/2干细胞向前脂肪细胞定向过程中的作用。利用相关数据库分析目标microRNA可能的靶基因，选择最有可能在此过程中发挥作用的靶基因进行功能分析。

（4）采用基于质谱的蛋白质组研究技术，分析干细胞定向为白色前脂肪细胞和棕色前脂肪细胞过程中蛋白质组的变化谱。

（5）整合已经获取的基因组、转录组、miRNA组和蛋白质组的数据和信息；应用计算生物学的手段构建干细胞定向为白色前脂肪细胞和棕色前脂肪细胞过程中的信号分子调控网络。

（6）采用已经取得的BMPloxp小鼠与FABP4-cre小鼠（脂肪组织特异性表达Cre）相互交配交配繁殖出BMP4脂肪细胞条件性敲除小鼠，并建立FABP4-BMP4的转基因小鼠系；对这些动物模型及其脂肪组织等进行代谢表型分析；分析白色脂肪和棕色脂肪的前体细胞的来源，并对BMP4影响脂肪组织内干细胞定向分化的分子机制进行分析。

2、GPCR信号转导网络在代谢生理活动与病理过程中的作用机制研究

（1）利用转基因果蝇、转基因鼠、基因敲除鼠的动物模型，应用芯片技术、质谱技术等组学方法，对GPCR信号调控网络在代谢调控过程中的作用进行整体性研究。

（2）利用常规的分子生物学和细胞生物学方法，在项目课题组前期研究建立的β-arrestins敲除的细胞和小鼠模型上，深入研究β-arrestins在整合GPCR信号转导途径和胰岛素信号通路的分子作用机制；发现与鉴定新的信号转导交互作用。（3）利用相关的细胞和动物模型，通过分子细胞生物学的方法寻找与机体代谢平衡相关的GPCR信号途径中的新的信号转导分子或调节分子，并研究这些信号转导分子和调节分子在其中的作用和相应的分子机制。

（4）整合已经获取的基因组、转录组、蛋白质组和代谢组的数据和信息；应用计算生物学的手段构建基于GPCR信号转导通路的细胞、个体代谢生理活动的信号分子调控网络。

（5）利用转基因果蝇、转基因鼠、基因敲除鼠的2型糖尿病动物模型，对发现的信号分子开展药靶的验证和深入的分子生物学研究。

3、基于BMP与GPCR等信号分子调控的代谢生理活动与病理过程的动态分子网络的定量化研究

（1）以蛋白质规模化定量分析和代谢小分子流量分析平台为基础，基于多阶段，多时程，多因素的采样原则，应用标记定量，非标记定量，绝对定量的方法研究BMP与GPCR等信号分子调控的代谢生理活动与病理过程的动态分子网络相关蛋白质的表达与降解，组成与修饰，分布与转位。

（2）结合与解离等动态行为特征。结合深度测序的方法，研究小鼠、果蝇和细胞等模式生物和功能系统的代谢生理活动与病理过程中受到BMP与GPCR等信号分子调控的基因、蛋白质动态行为的表达调控模式，如DNA甲基化，组蛋白修饰，mRNA转录强度，microRNA干扰等。

（3）应用小分子代谢流量分析方法，分析蛋白质动态行为对代谢分子网络的影响和权重，结合计算生物学和生物信息学方法，建立细胞动态分子网络模型，并

由进一步的功能实验进行验证或修正模型。总体研究方案如下图：

4、基于BMP与GPCR等信号分子调控的代谢生理活动与病理过程的动态分子网络的信息整合与分析

（1)基于已有的454、Solexa和Solid深度测序平台，进一步完善Chip-Seq、Methyl-Seq、RNA-seq、外显子捕获、基因组重测序技术，针对小鼠、果蝇和细胞等模式生物和细胞功能系统，大规模、高通量获取BMP与GPCR等信号分子调控的代谢生理活动与病理过程的动态分子网络相关的功能基因组实验数据。（2）开发配套的生物信息学数据管理软件和海量数据整合与分析算法。包括基因组变异位点的生物学功能预测分析算法，多层次、多时程基因和蛋白质功能网络识别和重构算法，eQTL分析算法，蛋白质翻译后修饰的调控模式识别，共表达基因的调控开关作用识别，全基因组层面上反式、顺式调控元件识别算法等。（3）研究和构建干细胞定向为白色前脂肪细胞和棕色前脂肪细胞过程中的信号分子调控网络，并建立网络比较算法，比较分析两种网络在外界环境胁迫和不同进化压力下的网络结构的拓扑学差异和相应的生物学功能差异，并以此为出发

点，为白色脂肪与棕色脂肪的起源、白色脂肪与棕色脂肪能否和如何相互转换、以及它们与代谢系统疾病发生和发展之间的关系等研究提供关键线索。

（4）建立包含有关基因调控、信号转导和生化代谢途径、蛋白质相互作用信息在内的数据库和知识库；通过收集，整理和分析国际公共数据库中已有的功能基因组的注释信息，建立符合系统生物学研究规范和基于网络的基因和蛋白质功能注释标准，以此为基础，结合国际通行的生物学数据规范，实现基因组数据，转录组数据，蛋白质组数据以及代谢组数据的对接。

（5）在代谢生理活动与病理过程中的基因和蛋白功能网络分析方面，将通过对代谢生理活动与病理过程中的基因和蛋白功能网络研究的全过程中信息流的跟踪，按照高通量数据挖掘与分析的规律，从数据产生、分析、结果解释等各个环节全着手，采用图论方法和现代统计分析手段，如无标度网络，层次网络，“小世界”网络等分析手段，结合网络聚类，谱分析，功能模块寻找等方法，分析代谢生理活动与病理过程中生物分子作用网络；

（6）采用信息融合和可视化手段寻找生物信息间的关联，挖掘基因和蛋白调控网络信息；采用非线性动力学方程，布尔网络，时序逻辑，贝叶斯网络等方法，建立生物体系的动力学模型，并对生物系统进行动力学模拟；采用统计推断、组合计算、小样本机器学习、信息论等多个学科分枝的理论与方法，充分运用高性能计算技术、知识挖掘与内容计算等先进的计算机手段，发展面向海量不完美数据的处理和分析方法。

可行性分析：

根据参加本项目的研究力量和已经拥有的实验材料、研究技术和研究成果，拟在如下四个方面寻求重大突破：

1、在干细胞定向为白色前脂肪细胞和棕色前脂肪细胞过程中的信号分子调控网络及其功能研究，以及在白色脂肪与棕色脂肪的起源和相互转换研究方面取得取得重大突破

本项目的课题组之一复旦大学医学院研究人员自2005年以来，已经连续在美国国家科学院院报（PNAS）上发表了四篇这个领域的研究工作论文。课题

组通过前期的研究工作，已经为拟开展的研究打下了很好的工作基础：

（1）建立了多潜能干细胞定向为白色前脂肪细胞的分化模型，并发现BMP-2/4对多潜能干细胞C3H10T1/2的这种作用发生在定向前脂肪细胞；

（2）建立了脂肪组织中BMP4高表达的转基因小鼠模型和脂肪组织中条件敲除BMP4的小鼠模型；

（3）建立了BMP7和BMP4诱导C3H10T1/2细胞向棕色脂肪细胞分化的基本条件。

2、在GPCR介导的信号调控网络及其在机体代谢平衡与代谢系统疾病发生发展的细胞信号调控机制研究方面取得重大突破

近年来，本项目课题组之一中科院上海生命科学研究院研究人员在机体代谢平衡与代谢系统疾病发生发展的细胞信号调控研究方面取得了一系列重要的科学进展，相关的科研工作分别发表在Nature Immunology、Cell、Nature等顶级科学杂志上。课题组通过前期的研究工作，已经为拟开展的研究打下了很好的工作基础：

（1）建立了用于机体代谢平衡与代谢系统疾病发生发展的细胞信号调控基础研究的果蝇和小鼠模型；。目前已有多种转基因果蝇、转基因鼠、基因敲除鼠和疾病模型鼠用于日常研究，可对细胞内信号分子的功能开展整体性研究。

（2）已经发现β-arrestin2通过介导信号复合物IR/β-arrestin2/Src/Akt的形成促进胰岛素信号通路的激活，可以有效改善2型糖尿病的症状。同时还发现这个过程中复合体的形成是受胰岛素受体激活调控的。在本项目中，课题组将继续研究这些代谢调控的关键GPCR信号通路对下游新型信号复合体形成的调控功能。

（3）利用已经建立的研究β-arrestins的细胞和动物模型，初步发现了将不同的信号整合在一起，介导了不同信号通路的对话的信号转导网络的结构。在本项目中，课题组将继续研究机体代谢平衡与代谢系统疾病发生发展的细胞信号转导网络和作用机制。

3、在代谢生理活动与病理过程中蛋白质、代谢分子的动态分子网络的定量化研究方面取得重大突破

项目课题组之一上海生命科学研究院中科院系统生物学重点实验室致力于发展和应用新技术对蛋白质动态行为包括蛋白质表达、蛋白质组成、蛋白质定位

和蛋白质相互作用进行即时定性和定量分析，相关的科研工作分别发表在Nature Cell Biology、Nature Genetics、Mol Cell Proteomics,等著名科学杂志上。课题组通过前期的研究工作，已经为拟开展的研究打下了很好的工作基础：

（1）建立了基于pH 洗脱的多维一体色谱系统，在目前国际上的多维色谱-质谱方法中居领先地位。此外，发展了国际上第一个在线连续梯度多维色谱-质谱系统，较大程度的克服了在多维色谱-质谱系统中的肽段重叠现象，并且明显提高了蛋白质鉴定的覆盖率。

（2）在国际上首次发展了基于pH 阴阳离子色谱串联洗脱的阴阳多维色谱-质谱技术，对磷酸化肽的富集和鉴定能力达到国际上先进水平。

（3）建立了系统地对线粒体等亚细胞器分级和大规模蛋白质鉴定方法，并完善了亚细胞分级和稳定同位素定量方法结合的策略，能够有效区分蛋白质的真实定位和可能的多定位甚至污染。

4、在代谢生理活动与病理过程的功能基因组信息获取、整合与调控网络分析方面取得重大突破

项目课题组之一上海生命科学研究院中科院系统生物学重点实验室致力于开发生物信息学数据管理软件和海量数据整合与分析算法；在生物信息学和计算生物学的算法、模式识别、生物学网络构建、蛋白质相互作用预测、数据整合等方面已经发表了上百篇SCI收录的科学研究论文，包括在Nature、Science、MSB、PNAS、MCP、NAR、Bioinformatics、Plos Computational Biology、BMC Bioinformatics等著名科学杂志上。课题组通过前期的研究工作，已经为拟开展的研究打下了很好的工作基础：

（1）开发了生物信息学数据管理软件和海量数据处理与分析算法，包括基因组变异位点的生物学功能预测分析算法，多层次、多时程基因和蛋白质功能网络识别和重构算法，eQTL分析算法，蛋白质翻译后修饰的调控模式识别，共表达基因的调控开关作用识别，全基因组层面上反式、顺式调控元件识别算法等。（2）具有自己的454、Solexa和Solid等多种最新款的深度测序平台，并具有进行Chip-Seq、Methyl-Seq、RNA-seq、外显子捕获、全基因组测实验能力。完全可以针对小鼠、大鼠、果蝇等模式生物和细胞功能系统，大规模、高通量地获取相关的功能基因组实验数据。

（3）建立了新的有效识别网络结构和功能模块的新算法，发展和完善对海量数据系统化、规模化的综合分析方法，建立了可用于将基因组、转录组、蛋白质组以及代谢组等各类数据进行对接与整合的方法与平台。

（三）创新点与特色：

1、生物分子的全“组学”分析与数据对接的“全方位”研究模式

按照系统生物学的特点，采用深度测序技术、芯片技术、质谱技术等先进的组学研究手段，全面分析动物和细胞样品，获取基因组、转录组、表观遗传组、蛋白质组、代谢组等不同生物分子的规模化数据；以此为基础，利用项目组发展的计算技术和生物信息学技术，结合国际通行的生物学数据规范，实现基因组数据，转录组数据，蛋白质组数据以及代谢组数据的对接。

2、整体性与系统性相结合的综合性研究思路

针对代谢生理活动与相关病理过程，采用整体性与系统性相结合的研究思路，将分子水平、细胞水平、组织水平和个体水平的研究紧密的整合在一起，并将这些模型系统的研究与“组学”技术、计算技术和生物信息学技术结合起来，在研究过程中，尽可能地采用把经典的分子细胞生物学方法与“组学”方法、计算生物学和生物信息学方法整合起来的系统生物学策略。

3、注重研究细胞信号转导网络的动态特性

利用功能基因组学、蛋白质组学和代谢组学技术，针对代谢生理活动与相关病理过程种基因和蛋白质功能网络研究，获取模式生物、细胞的功能系统在不同时期、条件下的分子特征谱和特征网络结构、进化和变异的数据和信息，实现在分子水平上对上述系统功能行使过程进行连续检测，以期给出模式生物、细胞的功能系统某些特定功能相关的动态的分子网络图谱；然后运用计算生物学技术方法进行建模和科学计算，运用生物信息学进行数据挖掘和知识发现，在分子、细胞和生物体等多个层次上全面揭示生命现象的本质。

（四）课题设臵：

课题一：基于BMP信号转导网络的脂肪细胞生长与分化机制及其在代谢生理活动与病理过程中的功能研究

研究目标

构建干细胞定向为白色前脂肪细胞和棕色前脂肪细胞过程中的信号分子调控网络，解决两种不同的脂肪细胞的来源、相互转化的可能性问题，并发现决定其定向和分化的关键分子。

研究内容

1、研究多潜能干细胞C3H10T1/2向两种不同的前脂肪细胞定向过程中DNA甲

基化的变化，寻找到对于多潜能干细胞向两种不同前脂肪细胞的定向起关键作用的基因；

2、结合cDNA表达谱等实验技术手段获得高通量数据，寻找BMP4在干细胞定

向为白色前脂肪细胞和棕色前脂肪细胞过程中的靶基因以及信号通路中的关键分子，并研究其作用机理；

3、研究在干细胞定向为白色前脂肪细胞和棕色前脂肪细胞过程中microRNA的

变化，找到这些变化的microRNA的靶基因，验证这些基因的功能；

4、研究干细胞定向为白色前脂肪细胞和棕色前脂肪细胞过程中蛋白谱的变化；

5、综合以上几种方法中找到的关键分子，构建干细胞定向为白色前脂肪细胞和

棕色前脂肪细胞过程中的信号分子调控网络；

6、在小鼠模型上验证BMP4在多潜能干细胞向前脂肪细胞定向的调控机理，包

括制备BMP4在脂肪组织高表达的转基因小鼠和BMP4脂肪细胞条件性敲除小鼠，研究其在脂肪细胞定向的机制。

承担单位上海复旦大学医学院中科院上海生命科学研究院生化细胞所

课题负责人汤其群

主要学术骨干李益明钱淑文郭薇

经费比例24%

课题二：GPCR信号转导网络在代谢生理活动与病理过程中的作用机制研究

研究目标