- 课题研究背景
哺乳动物生物时钟系统精准控制着行为和生理活动节律性，并可被各种环境信号所重设，作为机体最大的代谢器官，肝脏能迅速响应进食信号和时钟信号，分泌肝源因子调控代谢和时钟进程。生物信息学是一门生命科学与计算科学的前沿交叉学科，新一代测序等高通量技术的出现使其在生命科学领域得到越来越广泛的应用。
- 课题研究意义
本课题将利用生物信息学的研究的方法，对从不同禁食条件和持续黑暗的小鼠肝脏样本中收集的高通量RNA测序结果进行基因差异表达分析和功能分析，寻找既能响应食物信号，又能应答时钟信号的肝源性因子。本研究找到对代谢调节有多种作用的肝源性因子，为治疗由于昼夜节律紊乱引起的代谢紊乱提供一种更安全，更方便的药物靶标。
- 拟解决的问题
根据从不同禁食条件和持续黑暗的小鼠肝脏样本中收集的高通量RNA测序结果，找到既能响应光信号又能响应食物信号的肝源性因子，并对该因子在调节肝脏时钟中的潜在作用进行评估。
- 研究主要内容
- 获取不同禁食条件和持续黑暗的小鼠肝脏样本中收集的高通量RNA测序结果；
- 进行基因差异表达分析；
- 评估关键基因潜在作用；
- 分析结果，总结研究意义。
五、研究方法和步骤
- 通过GEO数据库，下载GSE133342转录组数据，比较禁食或持续黑暗的小鼠肝脏样品和自由采食的小鼠肝脏样本中基因差异表达情况；
- 对差异表达基因基因进行WGCNA分析，对差异表达基因进行聚类分组，确定肝源性因子；
- 对关键基因进行Gene oncology分析，评估肝源性因子参与的生物学过程及相关信号通路。
- 分析结果，鉴定光照、食物信号对哺乳生物时钟系统调控的关键分子。
- 文献综述
1. 生物时钟基因以及肝脏对时钟基因的意义
位于下丘脑上视交叉核（SCN）的生物钟控制着生理和行为的日常节律。大多数生物都拥有可携带光和食物的生物钟系统，从而使其能够适应日光和食物供应量的每日环境变化。在哺乳动物中，细胞振荡器的主要成分是激活物复合物CLOCK-BMAL1和阻遏物PER1-3 / CRY1-2。CLOCK-BMAL1激活时钟基因的转录，包括Per1,2,3和Cry1,2。PER和CRY蛋白结合形成一个复杂的PER-CRY，它抑制CLOCK-BMAL1的作用。CLOCK-BMAL1还激活核受体REV-ERB的表达alpha;，beta;和ROR alpha;，beta;，gamma;分别抑制和激活Bmal1，2的转录。在包括脑，肝，心脏，胰腺和肌肉在内的多个组织中已经发现了昼夜节律振荡器。
肝脏的自主神经对于传输来自SCN的光信息必不可少，肝脏去神经支配不仅阻止了光对Per1和Per2上调的影响，而且消除了光诱导的PEPCK和GLUT2 mRNA表达的变化。Per1和Per2似乎是输入途径的一部分，因为它们在小鼠的光刺激后会在SCN中诱导表达，而非光性则会使其减少。啮齿类动物的早期研究表明，将进食时间表改变12小时可以使肝脏和其他周围组织中的时钟基因表达反转。空腹会减弱大脑和肌肉的节律性，肝和骨骼肌的Arnt样蛋白1（BMAL1）的翻译后修饰和REV-ERBalpha;的水平，分别导致其靶基因的抑制和抑制。禁食以BMAL1依赖性方式诱导了许多基因，因此时钟调节了禁食反应的一部分。尽管有研究将禁食与昼夜节律相关联，但仍不清楚禁食如何影响时钟和昼夜节律。得益于光和食物的昼夜节律时钟系统，大多数活生物体都能适应可预测的每日食物供应和日照变化。肝脏在异源生物代谢中起着重要作用，并且已显示具有自己的基于细胞的时钟。肝脏时钟与大脑中的主时钟同步，即使生物钟被抑制，整个生物体的行为也可以驱动一部分有节奏的基因表达。
2. WGCNA在基因差异表达中的应用
随着生物信息学的最新发展，已经发明了新的有效方法来实现对新生物标记物的更全面的鉴定。基于该理论，即基因的密切功能联系或涉及类似的途径可以具有相似的表达谱，加权基因共表达网络分析（WGCNA）的方法提供了系统生物学策略探索的一个的系统级功能转录组。WGCNA考虑到样本之间基因之间的相关性，构建了一个基因网络。具有高度共表达关系的基因被分组到同一模块中。因此，同一模块中的基因可能具有相似的功能，或者可能共有共同的生物学调节作用。模块中最核心的基因被鉴定为中心基因，表明它们在模块中的重要作用。更重要的是，WGCNA分析了模块与样本特征之间的关系，这为探索某些特征背后的机制提供了有效的途径。Xian-guo Zhou等人通过结合差异表达分析和加权基因共表达网络分析（WGCNA）应用系统生物学方法来检测病理相关的miRNA和基因模块，并构建miRNA基因网络。对癌基因组图谱（TCGA）结肠腺癌（CAC）RNA测序数据和miRNA测序数据进行WGCNA分析，鉴定出五个与轮毂预后相关的枢纽miRNA（hsa-miR-125b-5p，hsa-miR-145-5p，hsa-let-7c-5p，hsa-miR-218-5p和hsa-miR-125b-2 -3p）。van Blitterswijk M等人利用来自312名经神经病理学诊断为阿尔茨海默氏病，进行性核上性麻痹，病理性衰老或正常对照的312名北美白种人受试者的颞叶皮质（TCX）和小脑（CER）提取的RNA测序数据来分析与风险（TT）相关的转录组特征保护性（SS）TMEM106B单倍型。在疾病表型匹配的同伙，用方差分析（ANOVA）鉴定差异表达 的基因和加权的基因共表达网络分析（WGCNA），以确定基因与风险和保护TMEM106B单倍型相关的网络。
七、论文大纲
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