分子生物网络分析 第4章 基因调控网络及其模型
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
网络的全局功能 简化的模型
《分子生物网络分析》(Molecular Biology Network Analysis)
Page 8
一般来说，一1每类.基个特m因异R的N调A蛋控分白子网质可。络生成一个或
基因调控网络 GRN,gene regulatory network 遗传调控网络、遗传网络 genetic regulatory\genetic network
信号A使原来被抑制的转录因子A激活，并 使其依附于靶基因的顺式调控序列。
《分子生物网络分析》(Molecular Biology Network Analysis)
Page 30
4.基因调控网络的基因结构和功能
信号B的进程更为复杂：信号B使原来被抑 制的转录因子B激活，并使其与抑制因子分 离。
《分子生物网络分析》(Molecular Biology Network Analysis)
Page 2
4.1概述
基因调控网络是21世纪生物学研究的一个 重要课题。
统计1950-2008年有关基因调控网络的论文 数量，近年来明显的增长趋势。
《分子生物网络分析》(Molecular Biology Network Analysis)
《分子生物网络分析》(Molecular Biology Network Analysis)
Page 11
1.基因调控网络
作为转录因子成为GRN的主要组成部分 结合到被激活的基因的启动子区域 目的基因便开始转录 形成蛋白质产物 其他一些转录因子则被抑制
《分子生物网络分析》(Molecular Biology Network Analysis)
Page 16
2.基因表达及其多层次调控
对GRN的基因表达研究涉及在蛋白质合成 过程中实施调控的复杂过程，主要包括如 下内容： DNA→RNA→mRNA→protein→modifie d protein
《分子生物网络分析》(Molecular Biology Network Analysis)
内部和外部信号的传导系统，不止一个信 号输入，而且影响到某一个靶基因。
《分子生物网络分析》(Molecular Biology Network Analysis)
Page 24
4.基因调控网络的基因结构和功能
2.一个GRN的核心部分（用圆形表示）， 包括功能类似的一些基因组成部分，由调 控蛋白质与同类物顺式作用的DNA序列合 成的复杂物质结构。
《分子生物网络分析》(Molecular Biology Network Analysis)
Page 36
4.2布尔网络模型
系统生物学（systems biology）:
是研究一个生物系统中所有组成成分（基因、 mRNA和蛋白质等）的构成，以及在特定条 件下这些组成成分间的相互关系的学科，而 生物网络由于生物系统很好描述，正逐渐成 为系统生物学研究中的主要研究对象。
《分子生物网络分析》(Molecular Biology Network Analysis)
Page 33
4.基因调控网络的基因结构和功能
《分子生物网络分析》(Molecular Biology Network Analysis)
Page 34
5.基因调控网络模型的种类
通过基因调控数据可以构建基因转录调控 网络。基因转录调控网络是以转录因子和 受调控基因作为节点，以调控关系作为边 的有向网络。
Page 21
4.基因调控网络的基因结构和功能
在生物体的每一个细胞中，GRN是DNA、 RNA，mRNA和蛋白质之间的相互作用网 络，各细胞的GRN基本上都是相同的。
《分子生物网络分析》(Molecular Biology Network Analysis)
Page 22
4.基因调控网络的基因结构和功能
第四章 基因调控网络及 其模型
教 师：崔 颖 办公室：外语学馆412室
Page 1
基因调控网络及其模型
4.1概述 4.2基因调控网络模型
4.2.1布尔网络模型 4.2.3有向图模型 4.2.4线性组合模型 4.2.5加权矩阵模型 4.2.6互信息关联模型 4.2.7常微分方程模型
4.3基因调控机制 4.4基序和模块 4.5基因调控网络数据库
3.GRN中的一些靶基因产生的初始输出， 包括变化了的RNA和蛋白质。
《分子生物网络分析》(Molecular Biology Network Analysis)
Page 25
4.基因调控网络的基因结构和功能
4.GRN的最终输出，主要是网络对细胞结 构和行为的改变，这种改变是不断变化的。 最终输出还可产生直接（实线）和间接 （虚线）的信号响应和反馈，可对GRN起 到很重要的作用。
图5.5是一个最小的GRN的基因结构框图， 它是整个生物体的遗传网络的一个基因组 成单元。
《分子生物网络分析》(Molecular Biology Network Analysis)
Page 23
4.基因调控网络的基因结构和功能
简单地说，GRN可以被看作是一个细胞输 入输出设备。
一个GRN至少包括下列组成部分： 1.输入信号的接收系统（矩形表示）及细胞
《分子生物网络分析》(Molecular Biology Network Analysis)
Page 37
4.2布尔网络模型
网络是图论中图的通俗说法，由节点和连 接节点之间的边构成。
在生物分子网络中，生物分子作为节点， 而生物分子之间的物理遗传及调控等多种 相互作用为边，因此它可以从系统层面上 描述复杂的生命现象，以及系统中的相互 作用、调控和动态行为等特性。
有的时候，根据转录因子是促进还是抑制 受控基因的表达，调控网络中的边可以分 为正调控和负调控。
《分子生物网络分析》(Molecular Biology Network Analysis)
Page 35
5.基因调控网络模型的种类
目前常见的GRN模型包括： 随机模型 有向图、常微分方程 布尔网络、连接模型 人工神经网络、贝叶斯网络 基于规则的模型 基于信息理论的模型
相关生化反应知识的集中、抽象和升华。
《分子生物网络分析》(Molecular Biology Network Analysis)
Page 10
1.基因调控网络
某些情况下，蛋白质可以： 积聚在细胞外壁或细胞内 组成特定的结构 具有功能
其他情况下，蛋白质可以： 生成酶并催化各种生物化学反应 某些蛋白质具有激活其他基因的功能
PagBaidu Nhomakorabea 13
1.基因调控网络
意大利Roberto Serra教授将GRN网络简称 为遗传网络。
他认为GRN包括： 不只包括基因 蛋白质、化学反应产物等 给出简单示意图
《分子生物网络分析》(Molecular Biology Network Analysis)
Page 14
1.基因调控网络
《分子生物网络分析》(Molecular Biology Network Analysis)
转录因子B获得自由并与被激活的抑制因子 形成了一个激活的异二聚体，并进一步与 激活的转录因子A形成一个激活的新异二聚 体，然后进入到顺式调控序列中。
《分子生物网络分析》(Molecular Biology Network Analysis)
Page 31
4.基因调控网络的基因结构和功能
下图是上述在GRN中将异聚体插入靶基因 的顺式调控序列的示意图。
《分子生物网络分析》(Molecular Biology Network Analysis)
Page 26
4.基因调控网络的基因结构和功能
GRN的节点是：基因、蛋白质、其相应的 mRNA、蛋白质与蛋白质的复合物。
GRN的节点随时间的变化过程可以用一个 函数来描述，并可利用对输入的各种运算 的组合来建立这种函数。
例如，布尔网络中的布尔函数就是采用了 “或or”、“异或nor”、“异与nand” 等逻辑运算。
《分子生物网络分析》(Molecular Biology Network Analysis)
Page 27
4.基因调控网络的基因结构和功能
这些函数可以描述细胞内的信息处理过程， 决定细胞的行为。
各种GRN在结构上可能有所不同，但其有 一般的结构示意图。
《分子生物网络分析》(Molecular Biology Network Analysis)
Page 28
《分子生物网络分析》(Molecular Biology Network Analysis)
Page 29
4.基因调控网络的基因结构和功能
在此图中，两个不同的信号A和B，分别输 入同一靶基因的两个受体蛋白质，该基因 的顺式调控元件产生一个综合输出来响应 这两个输入。
Page 19
3.基因调控网络的控制节点
从生物网络的观点来看，GRN包括下列6种 控制节点：
《分子生物网络分析》(Molecular Biology Network Analysis)
Page 20
3.基因调控网络的控制节点
《分子生物网络分析》(Molecular Biology Network Analysis)
Page 15
2.基因表达及其多层次调控
基因表达的研究大致分为两类： 对GRN结构和动力学机制分析识别 对生物体基因整体表达水平的实验数 据进行归纳整理。
前者涉及网络动力学理论的应用 后者采用各种统计和聚类方法
《分子生物网络分析》(Molecular Biology Network Analysis)
Page 3
4.1概述
《分子生物网络分析》(Molecular Biology Network Analysis)
Page 4
4.1概述
基因调控网络研究： 每个网络节点的功能 基因网络结构 复杂性层次上的动力学机制和行为 在细胞和组织层次从基因到信号路径 等各种问题
《分子生物网络分析》(Molecular Biology Network Analysis)
Page 17
2.基因表达及其多层次调控
《分子生物网络分析》(Molecular Biology Network Analysis)
Page 18
2.基因表达及其多层次调控
基因的表达是可控制及多层次的，主要有4 个调控层次。
通常是用上一层次的基因产物来调控下一 层次基因的表达。
《分子生物网络分析》(Molecular Biology Network Analysis)
大型遗传网络的全局模型： 知道一个生物体的所有细节 准确建立目前不可能完全做到这一点。
研究遗传网络的一般性质 从分子水平认识细胞组织的功能
《分子生物网络分析》(Molecular Biology Network Analysis)
Page 7
4.1概述
遗传网络的底层局部模型 高层次综合模型
Page 5
4.1概述
传统遗传学假说： 基因处于稳定及无相互作用的分离状 态。 基因对应于某一种蛋白质 完成某一种特定遗传功能
近年来，科学家发现上述假说是错误的， 重视研究遗传网络。
《分子生物网络分析》(Molecular Biology Network Analysis)
Page 6
4.1概述
GRN组成： 一个细胞中相互联系的若干DNA片段组成， 间接地与RNA和蛋白质表达产生相互作用 还有与其物质相互作用 调控基因转录或mRNA速率
《分子生物网络分析》(Molecular Biology Network Analysis)
Page 9
1.基因调控网络
GRN是研究者在长期科研实践中，综合分 析某一生物学系统的各种文献后，推断出 来并构建的一种生物网络。
《分子生物网络分析》(Molecular Biology Network Analysis)
Page 32
4.基因调控网络的基因结构和功能
网络输出的是在由激活转录因子A和B所决 定的层次上的靶基因表达。
由此，顺式调控的DNA序列及在其上结合 的蛋白质在共同集成了多个输入信号之后， 产生新的输出----调控信息读出。
Page 12
1.基因调控网络
单细胞生物体的GRN可以应对外部环境变 化，使其在特定时间内适应所处环境得以 生存。
例如：酵母细胞发现自己处在糖溶液时， 激活一些基因来产生酶，以便将糖分解为 乙醇。此过程与酿酒相似，可使酵母细胞 得以存活并获得繁殖后代所需要的能量， 提高其生存能力。
《分子生物网络分析》(Molecular Biology Network Analysis)
《分子生物网络分析》(Molecular Biology Network Analysis)
Page 8
一般来说，一1每类.基个特m因异R的N调A蛋控分白子网质可。络生成一个或
基因调控网络 GRN,gene regulatory network 遗传调控网络、遗传网络 genetic regulatory\genetic network
信号A使原来被抑制的转录因子A激活，并 使其依附于靶基因的顺式调控序列。
《分子生物网络分析》(Molecular Biology Network Analysis)
Page 30
4.基因调控网络的基因结构和功能
信号B的进程更为复杂：信号B使原来被抑 制的转录因子B激活，并使其与抑制因子分 离。
《分子生物网络分析》(Molecular Biology Network Analysis)
Page 2
4.1概述
基因调控网络是21世纪生物学研究的一个 重要课题。
统计1950-2008年有关基因调控网络的论文 数量，近年来明显的增长趋势。
《分子生物网络分析》(Molecular Biology Network Analysis)
《分子生物网络分析》(Molecular Biology Network Analysis)
Page 11
1.基因调控网络
作为转录因子成为GRN的主要组成部分 结合到被激活的基因的启动子区域 目的基因便开始转录 形成蛋白质产物 其他一些转录因子则被抑制
《分子生物网络分析》(Molecular Biology Network Analysis)
Page 16
2.基因表达及其多层次调控
对GRN的基因表达研究涉及在蛋白质合成 过程中实施调控的复杂过程，主要包括如 下内容： DNA→RNA→mRNA→protein→modifie d protein
《分子生物网络分析》(Molecular Biology Network Analysis)
内部和外部信号的传导系统，不止一个信 号输入，而且影响到某一个靶基因。
《分子生物网络分析》(Molecular Biology Network Analysis)
Page 24
4.基因调控网络的基因结构和功能
2.一个GRN的核心部分（用圆形表示）， 包括功能类似的一些基因组成部分，由调 控蛋白质与同类物顺式作用的DNA序列合 成的复杂物质结构。
《分子生物网络分析》(Molecular Biology Network Analysis)
Page 36
4.2布尔网络模型
系统生物学（systems biology）:
是研究一个生物系统中所有组成成分（基因、 mRNA和蛋白质等）的构成，以及在特定条 件下这些组成成分间的相互关系的学科，而 生物网络由于生物系统很好描述，正逐渐成 为系统生物学研究中的主要研究对象。
《分子生物网络分析》(Molecular Biology Network Analysis)
Page 33
4.基因调控网络的基因结构和功能
《分子生物网络分析》(Molecular Biology Network Analysis)
Page 34
5.基因调控网络模型的种类
通过基因调控数据可以构建基因转录调控 网络。基因转录调控网络是以转录因子和 受调控基因作为节点，以调控关系作为边 的有向网络。
Page 21
4.基因调控网络的基因结构和功能
在生物体的每一个细胞中，GRN是DNA、 RNA，mRNA和蛋白质之间的相互作用网 络，各细胞的GRN基本上都是相同的。
《分子生物网络分析》(Molecular Biology Network Analysis)
Page 22
4.基因调控网络的基因结构和功能
第四章 基因调控网络及 其模型
教 师：崔 颖 办公室：外语学馆412室
Page 1
基因调控网络及其模型
4.1概述 4.2基因调控网络模型
4.2.1布尔网络模型 4.2.3有向图模型 4.2.4线性组合模型 4.2.5加权矩阵模型 4.2.6互信息关联模型 4.2.7常微分方程模型
4.3基因调控机制 4.4基序和模块 4.5基因调控网络数据库
3.GRN中的一些靶基因产生的初始输出， 包括变化了的RNA和蛋白质。
《分子生物网络分析》(Molecular Biology Network Analysis)
Page 25
4.基因调控网络的基因结构和功能
4.GRN的最终输出，主要是网络对细胞结 构和行为的改变，这种改变是不断变化的。 最终输出还可产生直接（实线）和间接 （虚线）的信号响应和反馈，可对GRN起 到很重要的作用。
图5.5是一个最小的GRN的基因结构框图， 它是整个生物体的遗传网络的一个基因组 成单元。
《分子生物网络分析》(Molecular Biology Network Analysis)
Page 23
4.基因调控网络的基因结构和功能
简单地说，GRN可以被看作是一个细胞输 入输出设备。
一个GRN至少包括下列组成部分： 1.输入信号的接收系统（矩形表示）及细胞
《分子生物网络分析》(Molecular Biology Network Analysis)
Page 37
4.2布尔网络模型
网络是图论中图的通俗说法，由节点和连 接节点之间的边构成。
在生物分子网络中，生物分子作为节点， 而生物分子之间的物理遗传及调控等多种 相互作用为边，因此它可以从系统层面上 描述复杂的生命现象，以及系统中的相互 作用、调控和动态行为等特性。
有的时候，根据转录因子是促进还是抑制 受控基因的表达，调控网络中的边可以分 为正调控和负调控。
《分子生物网络分析》(Molecular Biology Network Analysis)
Page 35
5.基因调控网络模型的种类
目前常见的GRN模型包括： 随机模型 有向图、常微分方程 布尔网络、连接模型 人工神经网络、贝叶斯网络 基于规则的模型 基于信息理论的模型
相关生化反应知识的集中、抽象和升华。
《分子生物网络分析》(Molecular Biology Network Analysis)
Page 10
1.基因调控网络
某些情况下，蛋白质可以： 积聚在细胞外壁或细胞内 组成特定的结构 具有功能
其他情况下，蛋白质可以： 生成酶并催化各种生物化学反应 某些蛋白质具有激活其他基因的功能
PagBaidu Nhomakorabea 13
1.基因调控网络
意大利Roberto Serra教授将GRN网络简称 为遗传网络。
他认为GRN包括： 不只包括基因 蛋白质、化学反应产物等 给出简单示意图
《分子生物网络分析》(Molecular Biology Network Analysis)
Page 14
1.基因调控网络
《分子生物网络分析》(Molecular Biology Network Analysis)
转录因子B获得自由并与被激活的抑制因子 形成了一个激活的异二聚体，并进一步与 激活的转录因子A形成一个激活的新异二聚 体，然后进入到顺式调控序列中。
《分子生物网络分析》(Molecular Biology Network Analysis)
Page 31
4.基因调控网络的基因结构和功能
下图是上述在GRN中将异聚体插入靶基因 的顺式调控序列的示意图。
《分子生物网络分析》(Molecular Biology Network Analysis)
Page 26
4.基因调控网络的基因结构和功能
GRN的节点是：基因、蛋白质、其相应的 mRNA、蛋白质与蛋白质的复合物。
GRN的节点随时间的变化过程可以用一个 函数来描述，并可利用对输入的各种运算 的组合来建立这种函数。
例如，布尔网络中的布尔函数就是采用了 “或or”、“异或nor”、“异与nand” 等逻辑运算。
《分子生物网络分析》(Molecular Biology Network Analysis)
Page 27
4.基因调控网络的基因结构和功能
这些函数可以描述细胞内的信息处理过程， 决定细胞的行为。
各种GRN在结构上可能有所不同，但其有 一般的结构示意图。
《分子生物网络分析》(Molecular Biology Network Analysis)
Page 28
《分子生物网络分析》(Molecular Biology Network Analysis)
Page 29
4.基因调控网络的基因结构和功能
在此图中，两个不同的信号A和B，分别输 入同一靶基因的两个受体蛋白质，该基因 的顺式调控元件产生一个综合输出来响应 这两个输入。
Page 19
3.基因调控网络的控制节点
从生物网络的观点来看，GRN包括下列6种 控制节点：
《分子生物网络分析》(Molecular Biology Network Analysis)
Page 20
3.基因调控网络的控制节点
《分子生物网络分析》(Molecular Biology Network Analysis)
Page 15
2.基因表达及其多层次调控
基因表达的研究大致分为两类： 对GRN结构和动力学机制分析识别 对生物体基因整体表达水平的实验数 据进行归纳整理。
前者涉及网络动力学理论的应用 后者采用各种统计和聚类方法
《分子生物网络分析》(Molecular Biology Network Analysis)
Page 3
4.1概述
《分子生物网络分析》(Molecular Biology Network Analysis)
Page 4
4.1概述
基因调控网络研究： 每个网络节点的功能 基因网络结构 复杂性层次上的动力学机制和行为 在细胞和组织层次从基因到信号路径 等各种问题
《分子生物网络分析》(Molecular Biology Network Analysis)
Page 17
2.基因表达及其多层次调控
《分子生物网络分析》(Molecular Biology Network Analysis)
Page 18
2.基因表达及其多层次调控
基因的表达是可控制及多层次的，主要有4 个调控层次。
通常是用上一层次的基因产物来调控下一 层次基因的表达。
《分子生物网络分析》(Molecular Biology Network Analysis)
大型遗传网络的全局模型： 知道一个生物体的所有细节 准确建立目前不可能完全做到这一点。
研究遗传网络的一般性质 从分子水平认识细胞组织的功能
《分子生物网络分析》(Molecular Biology Network Analysis)
Page 7
4.1概述
遗传网络的底层局部模型 高层次综合模型
Page 5
4.1概述
传统遗传学假说： 基因处于稳定及无相互作用的分离状 态。 基因对应于某一种蛋白质 完成某一种特定遗传功能
近年来，科学家发现上述假说是错误的， 重视研究遗传网络。
《分子生物网络分析》(Molecular Biology Network Analysis)
Page 6
4.1概述
GRN组成： 一个细胞中相互联系的若干DNA片段组成， 间接地与RNA和蛋白质表达产生相互作用 还有与其物质相互作用 调控基因转录或mRNA速率
《分子生物网络分析》(Molecular Biology Network Analysis)
Page 9
1.基因调控网络
GRN是研究者在长期科研实践中，综合分 析某一生物学系统的各种文献后，推断出 来并构建的一种生物网络。
《分子生物网络分析》(Molecular Biology Network Analysis)
Page 32
4.基因调控网络的基因结构和功能
网络输出的是在由激活转录因子A和B所决 定的层次上的靶基因表达。
由此，顺式调控的DNA序列及在其上结合 的蛋白质在共同集成了多个输入信号之后， 产生新的输出----调控信息读出。
Page 12
1.基因调控网络
单细胞生物体的GRN可以应对外部环境变 化，使其在特定时间内适应所处环境得以 生存。
例如：酵母细胞发现自己处在糖溶液时， 激活一些基因来产生酶，以便将糖分解为 乙醇。此过程与酿酒相似，可使酵母细胞 得以存活并获得繁殖后代所需要的能量， 提高其生存能力。
《分子生物网络分析》(Molecular Biology Network Analysis)