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[硕士论文] 贾为宾
化学工程 北京化工大学 2018(学位年度)
摘要:细胞是生物体的最小结构单元,细胞膜则是细胞最重要的组成部分之一。细胞膜由双亲性磷脂分子、胆固醇以及膜蛋白等组成,这种特殊的膜结构在细胞活动中发挥着重要作用,如在信号传导和物质运输等过程。在真实的生物体系中,细胞膜的作用机理非常复杂,在时间和空间上尺度有很大跨度,以至于现有的实验条件和技术水平很难确定细胞膜的作用机理。
  近些年,随着计算机水平的发展和生物模型的不断优化,使用计算机模拟生物体系的研究成为热点。本文主要采用分子动力学模拟方法,以磷脂膜、多肽、抗菌分子和膜蛋白为研究对象对细胞膜进行了研究。主要研究内容为以下两个方面:
  1.磷脂膜与抗菌肽、抗菌分子之间的相互作用。研究包括:抗菌肽在水中和磷脂膜表面的结构变化,细胞环境对抗菌肽形成膜孔的影响,以及抗菌分子对磷脂尾链的扰动及对膜结构的破坏。
  (a)采用全原子分子动力学模拟方法研究爪蛙素抗菌肽和CM15抗菌肽的结构变化在磷脂膜表面的成孔机理,从而实现穿膜。模拟发现CM15抗菌肽在水中会两两聚集,同时螺旋结构解螺旋为折叠结构。爪蛙素抗菌肽在水中和膜表面都会聚集。在水中时爪蛙素抗菌肽会解螺旋成无序结构,在膜表面时会先解螺旋成无序结构再转变为折叠结构。在单膜模型中加入外加电场时,抗菌肽更加容易的在膜上成孔,电场强度越大越容易形成膜孔。在双膜模型加入离子对形成跨膜电势后,抗菌肽的存在也会增加跨膜电势,所以抗菌肽在外加离子对的情况下也是更容易形成膜孔。这一结论证明了细胞环境以及抗菌肽结构对于其形成膜孔都有重要影响。
  (b)采用全原子分子动力学模拟方法研究抗菌分子对磷脂膜的扰动。将主体为吡咯二吡咯和季胺化结构的抗菌分子分别以水平和垂直方式放置到膜中心。抗菌分子在膜中心会以两种形式保持稳定结构,分别为跨膜结构和U型结构。抗菌分子形成跨膜结构之后会影响磷脂膜厚度,链长为6和8个碳原子的抗菌分子使膜变薄。跨膜结构的抗菌分子还会使磷脂尾链的有序度降低,破坏膜结构。由于季胺化结构氮原子带正电荷,还会与POPG磷脂头基相互作用,影响磷脂分布。模拟结果可以为以后设计抗菌分子提供指导。
  2.磷脂膜分相现象研究。主要研究多组分磷脂膜的相分离机理,以及膜蛋白对磷脂分相的影响。通过模拟发现磷脂分相主要由两个条件控制,分别为磷脂尾链的不饱和度以及磷脂尾链相对长度。当磷脂尾链不饱和程度差异较大时,磷脂会自发的分相为由饱和磷脂与胆固醇形成的有序相以及不饱和磷脂形成的无序相,而且随着胆固醇浓度的增高,分相程度也越高。当饱和磷脂尾链与不饱和磷脂尾链长度差异较大时会形成错位式分相,差异较小时则会形成对位式分相。由于有序区域排列紧密而无序区域排列稀疏,所以膜蛋白会分布在无序相中。而且膜蛋白的存在会影响分相结构,从而使其周围由错位式分相变化为对位式分相。
[硕士论文] 刘滨
物理化学 山东大学 2018(学位年度)
摘要:原始细胞膜为原始生命的形成提供了“区隔”,使得原始细胞与环境间的物质交换和能量交换、代谢、生长-分裂自复制等过程成为可能,在生命起源中扮演着至关重要的角色。目前作为原始细胞膜的模型体系有:脂质体、脂肪酸囊泡、无机纳米颗粒团聚物、团聚体液滴和油滴等。
  粘土矿物具有荷电性、高比表面积和选择吸附性,可屏蔽紫外线,并且能够提供一个发生聚合反应的模板来催化氨基酸、多肽、蛋白质等关键生物分子的合成。由于粘土颗粒的特殊结构和性质,它有可能为原始生命的起源提供场所。本文以人工合成的阴离子粘土(LDHs)作为粘土矿物的模型体系,研究了LDHs与蛋黄卵磷脂脂质体的相互作用,考察了LDHs在双层膜表面吸附以及迁移(跨膜动力学)微观过程,提出了可能的跨膜机理。
  单一单链双亲分子囊泡体系在原始地球环境相关性、渗透性、易制备性和自复制能力等方面逐渐被认为是更为合理的原始细胞膜模型。本文合成了至今鲜有报道的十二烷基硫酸(DHS),并将其作为原始细胞膜模型的构筑单元。研究了DHS水溶液的相行为,表征了DHS囊泡的物理化学性质,考察了其作为原始细胞膜模型的原始生物膜特性,如选择渗透性、快速交换能力、生长-分裂自复制能力、原始地球极端环境条件下的稳定性等。此类新型原始细胞膜模型的构筑,帮助我们了解原始生物膜的本质特征,为早期地球环境中细胞的诞生和生命的起源提供信息。
  本文主要研究内容和结果:
  (1)制备并选取了粒径约为2μm的蛋黄卵磷脂质体(EYL)作为原始细胞膜模型,研究了EYL膜对钙黄绿素和尼罗红荧光染料的渗透性。研究了不同粒径(100nm、500nm)的阴离子粘土(LDHs)与EYL双层膜的相互作用(吸附、跨膜、双层膜形貌变化等)以及形成的LDHs/EYL的时间稳定性等,探讨了LDHs颗粒与脂质体双层膜相互作用的机理,以期初步认识LDHs颗粒与原始细胞膜模型之间的相互作用规律,为它们在生命起源中扮演的角色提供线索。
  (2)合成了具有原始地球环境相关性的简单单链双亲分子十二烷基硫酸(DHS),系统地研究了DHS水溶液的相行为。通过表面张力法、浊度法、荧光探针法以及摩尔电导率的测定,结合目测法、电子显微镜以及动态光散射等方法,确定了DHS的临界聚集浓度(CAC)为0.4mM,室温下DHS的溶解度为10mM。在不添加任何助表面活性剂的条件下,当体系pH值接近其表观pKa(3.11)时,DHS在水溶液中自发形成囊泡。DSC测试以及荧光染料的包覆与释放实验证明,DHS囊泡形成机理是质子化的DHS与去质子化的DHS之间形成了氢键二聚体,进而组装为囊泡结构。
  将制得的DHS囊泡体系作为一种新型的原始细胞膜模型,并考察了其原始生物膜特性:(i)选择渗透性。细胞膜能够透过小分子染料(如钙黄绿素、尼罗红)及离子(如K+、Cl-),然而不能透过大分子(牛血清蛋白);(ii)快速交换和自复制能力。在过量十二烷基硫酸钠胶束存在下,胶束(←→)单体(←→)囊泡由于快速交换的存在会重新建立平衡,表现为DHS囊泡的生长-分裂自复制过程;(iii)极端条件下的稳定性。DHS囊泡表现出优越的时间稳定性(>1年),并且能够在强酸性(pH=3.0)以及极稀浓度(0.5mM)下形成并稳定存在。
[硕士论文] 丁萍
生物学;微生物学 南京师范大学 2018(学位年度)
摘要:线粒体基因组(mtDN A)编码氧化磷酸化(OXPHOS)系统中的一小部分跨膜成分。这些基因的正常表达确保了OXPHOS系统中的成分的合成。线粒体中的翻译起始是由两个通用的起始因子mIF2和mIF3协助的,细菌中mIF2和mIF3的同源蛋白对于蛋白合成和菌株的生长是不可缺少的。酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)中,缺失mIF3/Aim23并没有取消线粒体翻译,而是使得蛋白含量不平衡。
  在本文中,我们研究了粟酒裂殖酵母(Schizosacchwomyces pombe)中,mIF2/Mti2(SPBC1271.15c)和mIF3/Mti3(SPBC18E5.13)蛋白对线粒体翻译的影响。首先,构建△mti2菌株和△mti3菌株。表型实验的结果表明,在发酵型培养基以及非发酵型培养基上,相对于yHL6381野生型菌株,△mti2菌株的生长受到了显著的抑制;△mti3菌株的生长没有受到抑制。Western Blot实验结果表明,Mti2和Mti3蛋白定位于线粒体基质;mti2基因的缺失使得mtDNA编码的Cob1、Cox1、Cox2、Atp6的稳定水平剧烈降低,而核基因编码的Cox4蛋白的稳定水平几乎不受影响。mti3的缺失并没有影响mtDNA编码的蛋白质的稳定水平。通过在体内用同位素标记由mtDNA编码的蛋白质的实验,我们发现,在△mti2菌株中,除了Cob1和Atp6以外,其它的由mtDNA编码的蛋白质的合成均受到了影响。敲除mti2基因后,mtDNA编码的蛋白质的合成受到了显著的影响,并且Cob1和Atp6蛋白也变得非常不稳定。因此,mti2基因与mtDNA的翻译紧密相关。它是通过影响mtDNA编码的蛋白质的合成,使组成电子传递链的复合体受到破坏,导致线粒体不能正常发挥功能。除此之外,通过蔗糖密度梯度离心分离线粒体核糖体大小亚基,初步的结果表明,Mti2与核糖体大亚基(LSU)的分布类似,Mti3与核糖体小亚基(SSU)的分布类似。
[硕士论文] 陈洁
生物学;生物技术 南京师范大学 2018(学位年度)
摘要:线粒体是真核生物中重要的细胞器,参与了许多细胞功能,包含通过氧化磷酸化(OXPHOS)产生三磷酸腺苷(ATP)、氨基酸和脂肪酸合成、动物凋亡和衰老过程。粟酒裂殖酵母是研究线粒体基因表达的有吸引力的模式生物。
  在粟酒裂殖酵母中,线粒体基因组(mtDNA)是紧凑的,~19kb的线性DNA。它编码了OXPHOS复合体的主要亚基,如细胞色素b-c1复合体(复合体Ⅲ)亚基3(Cob1也称Cob或Cytb),细胞色素c氧化酶(复合体Ⅳ或COX)亚基1,2,3(Cox1,2,3)和ATP合酶(复合体Ⅴ)亚基(ATP6,8,9)。除此之外,S.pombe mtDNA编码了线粒体核糖体蛋白(Var1),线粒体核糖体的大小亚基(rnl和rns),25tRNAs和RNase P的RNA亚基。
  Mrz1蛋白是一个功能未知的蛋白,在本文中,我们主要研究了粟酒裂殖酵母中Mrz1蛋白在细胞中的定位与功能。通过构建Δmrz1菌株,发现mrz1基因缺失后在发酵型培养基上能够正常生长,在半乳糖或甘油的非发酵型碳源培养基上表现出生长缺陷,意味着Mrz1蛋白与线粒体的功能密切相关。通过提取线粒体后进行定位实验,发现Mrz1蛋白是一个线粒体外膜蛋白。通过实时荧光定量PCR,可以得出mrz1基因的缺失没有影响线粒体基因组编码的mRNA的积累。另外,利用[35S]-methionine/cysteine mix标记和Western blot实验检测Mrz1蛋白对线粒体基因组编码的蛋白水平的影响。我们发现mrz1基因缺失后线粒体基因组编码的蛋白能够正常合成,而线粒体基因组编码的蛋白Cob1、Cox1、Cox2、Cox3的稳定性受到了严重的影响,意味着Mrz1蛋白对于线粒体基因组编码的蛋白的稳定性有着重要作用。mrz1基因缺失后,线粒体基因组编码的蛋白正常合成后由于不稳定而随之被降解,从而影响了线粒体呼吸链复合体的组装,导致了线粒体氧化磷酸化不能正常进行,使得线粒体功能受损。
[硕士论文] 李燕
生物学;生物技术 南京师范大学 2018(学位年度)
摘要:线粒体通过氧化磷酸化产生能量,并且通过呼吸链复合体电子传递链产生ATP。线粒体是一种半自主性细胞器,拥有自身的基因组。在粟酒裂殖酵母(Schizosaccharomyces pombe)中,线粒体基因组(mtDNA)的表达对线粒体功能的发挥至关重要,并且线粒体基因组编码氧化磷酸化复合物的7个关键亚基。
  Mtf2蛋白(系统名:SPAC5D6.12)在芽殖酵母(Saccharomyces cerevisiae)中存在同源蛋白Nam1。已有文献报道,Nam1是一个定位于线粒体基质的蛋白,参与线粒体基因组编码的COX1,CYTB1以及ATP6的mRNA加工与稳定,Nam1对于COX1和CYTB内含子的剪接也是必要的,并且Nam1对线粒体基因组编码的蛋白合成的影响是全局的。
  通过实验室成员的前期实验,我们发现△mtf2菌株在非发酵型培养基上的生长受到强烈的抑制,由此我们推测mtf2基因与线粒体功能密切相关。在本论文中,我们主要研究了Mtf2蛋白在线粒体中发挥的具体功能。首先,我们发现Mtf2蛋白定位于线粒体基质,是一个可溶性蛋白。其次,通过qRT-PCR以及Northern blot实验,在含有线粒体内含子的背景下,敲除mtf2导致cox1mRNA水平显著性下降,并且引起cob1的mRNA的累积量明显减少,说明Mtf2蛋白对于cox1和cob1mRNA的累积是必不可少的。在不含有线粒体内含子的背景下,敲除mtf2不影响cox1和cob1的mRNA水平,但仍然强烈影响Cox1的合成,说明Mtf2蛋白对Cox1蛋白合成至关重要,是Cox1蛋白翻译的激活因子。最后,通过western blot实验分析,我们发现在不含有线粒体内含子的背景下,mtf2缺失菌株中几乎检测不到Cox1和Cox3蛋白,Cob1和Cox2的蛋白稳态水平也是显著性的降低,而核基因编码的蛋白Cox4稳态水平只有轻微的下降,说明mtf2缺失导致组成线粒体呼吸链上的复合体不能正常组装,最终导致线粒体功能受损。我们推测,在含有线粒体内含子的背景下,mtf2缺失对mtDNA中内含子剪接的影响可能是由于Cox1蛋白合成受损导致不能正常合成cox1内含子编码的成熟酶。
[硕士论文] 苏茹月
生物学;微生物学 南京师范大学 2018(学位年度)
摘要:线粒体是普遍存在于真核生物的一种细胞器,它不仅与ATP的合成有关,而且还参与细胞物质代谢以及细胞凋亡等生理过程。线粒体疾病的产生大多数是由于线粒体功能受损引起的,因此线粒体与人类健康有着密切的关联。粟酒裂殖酵母(Schizosaccharomyces pombe)在进化上与人类更为接近,在研究线粒体功能方面是一种优良的模式生物,因此线粒体也越来越受到研究者的青睐与关注。
  粟酒裂殖酵母线粒体是一种半自主型细胞器,其自身基因组能够编码25个tRNAs,2个rRNA,1个RNase P RNA,核糖体蛋白(Var1)和7个线粒体呼吸链复合体亚基包括复合体Ⅲ的Cob1亚基,复合体Ⅳ的3个大亚基(Cox1,Cox2,Cox3),复合体Ⅴ的3个亚基(Atp6,Atp8,Atp9)。粟酒裂殖酵母线粒体蛋白的翻译过程包括起始、延伸、终止,此过程需要多种蛋白因子共同参与调控。Mti2和Mti3是预测与线粒体翻译起始有关的蛋白,Mti2的发现是通过前期免疫共沉淀实验中Ppr10与Mti2有相互作用,因此,本文主要探究粟酒裂殖酵母中Mti2,Mti3的主要功能。
  首先构建mti2,mti3基因敲除菌,发现mti2基因敲除菌在以甘油为唯一碳源的非发酵型培养基上表现出生长缺陷,而mti3基因的缺失不表现出生长缺陷,由此推测mti2基因的缺失可能导致线粒体呼吸链功能受损。其次,通过改变培养温度以及培养时间,发现△mti2菌株在稳定期后期细胞出现了一定的死亡并且△mti2菌株在37℃下生长受到更加严重的抑制,说明△mti2菌株功能受到了影响。然后,将芽殖酵母线粒体翻译起始因子IFM1回补到△mti2菌株中,发现mti2基因敲除菌在非发酵型培养基上能够正常生长,这说明IFM1蛋白与Mti2蛋白具有功能保守性。实时荧光定量PCR发现mti2基因的缺失影响了线粒体基因组编码的mRNA水平以及稳定期后期线粒体基因组的拷贝数。最后,通过BN-PAGE和Western blot实验发现mti2基因的缺失严重影响了线粒体呼吸链上各复合体及超复合体的组装。这些实验结果表明,Mti2是裂殖酵母线粒体翻译起始因子,并基于△mti2△mti3双敲菌株在非发酵型培养基上出现了更加严重的生长缺陷,因此推测Mti3蛋白很有可能协助Mti2蛋白完成线粒体蛋白的翻译起始功能,这些结果对了解线粒体的转录调控与功能有很重要的意义。
[博士论文] 王小滔
生物信息学 华中农业大学 2017(学位年度)
摘要:染色质三维结构在基因表达调控、细胞发育以及疾病发生过程中起着重要作用。在过去,人们主要依赖显微技术来研究染色质的空间组织模式。近年来,染色质构象捕获技术,特别是能够在全基因组范围捕获染色质交互的Hi-C技术,极大地提高了研究染色质结构的精度和通量,推动了人们对染色质层次化结构的认识。染色质拓扑相关结构域(topologically associating domains,简称TADs)是染色质高阶结构中重要的结构单元,它广泛存在于各个物种中,其位置在细胞发育甚至进化中都是非常保守的。在功能上,TADs限定了增强子与启动子的空间交互范围,是基因表达、DNA重组、基因组复制调控的基本单元。传统上,人们对TADs内部结构认识较少,本文深入研究了TADs内部染色质交互的分布特征,分别提出了TADs总体结构度量指标和层次化结构域识别算法,用于研究TADs内部结构特征和功能。
  首先,本文分析了TADs内部显著性交互的聚集模式,定义了一种能够衡量TADs内部总体结构特征的量化指标—聚集偏好指数(aggregation preference,简称AP)。接着,本文使用AP指数对TADs进行结构注释,将TADs内部结构与功能相关联。具体地讲,我们分析了来自人类和小鼠9个细胞系的11组传统Hi-C和原位Hi-C数据,发现AP值较为均匀地分布在0-1之间,说明TADs具有较强的结构异质性。通过整合DNA序列特征、表观修饰以及基因表达数据,我们发现AP值与染色质活跃状态呈现出显著的正相关关系。最后,细胞系间的比较结果表明,不同细胞系中TADs内部结构的重排与基因表达调控的改变密切相关。
  其次,TADs并不是单一层次的结构,它们常常是以一种层次化的形式组织起来的,因此开发层次化结构域的识别算法对分析不同层次结构域在染色质结构组织和功能上的差异具有重要意义。针对这个问题,本文综合利用染色质局部和远程交互,在传统定义的基础上进一步将TADs精细定义为“在指定目标函数下能够最佳分割染色质内交互的结构域集”,并递归地将其内层结构域定义为“在指定目标函数下最佳分割上一层次结构域内染色质交互的结构域集”。通过新的TADs定义,我们开发了HiTAD算法来识别层次化结构域,并使用来自人类和小鼠7个细胞系的传统Hi-C和原位Hi-C数据从多个角度对其进行了交叉验证。计算结果表明,HiTAD在敏感性、可重复性以及细胞系间的保守性方面均优于现有软件Arrowhead和TADtree;HiTAD识别的不同层次结构域均表现出与传统单一层次TADs类似的属性,如“边界绝缘性”、“边界信号富集”以及“转录因子CTCF结合DNA序列的方向性”等。为方便不同结构域集合之间的比较,我们开发了层次化结构域比对算法,并利用此算法定义了多种结构域边界以及结构域变化模式。以边界为基础,我们研究了不同层次结构域在关联染色质区室(compartments)和基因组复制上的差异,发现TADs而非Sub-TADs是染色质区室和基因组复制调控的基本单元;以结构域为基础,我们发现TADs和Sub-TADs在基因调控中亦扮演着截然不同的角色。
  综上所述,本文提出了能够反映TADs内染色质交互聚集程度的AP指数和识别TADs内部层次化结构域的HiTAD算法,进而从不同角度研究了TADs内部结构和生物功能之间的联系。
[硕士论文] 李雅梅
细胞生物学 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:三羧酸循环(TCA cycle)是发生在线粒体中的重要代谢途径。它是糖类,脂类和氨基酸的共同代谢途径,也是糖类,脂类和氨基酸代谢的联系枢纽。三羧酸循环是一个由一系列酶促反应构成的循环反应系统。在这一过程中乙酰辅酶A与草酰乙酸缩合形成一分子的柠檬酸,然后柠檬酸经过四次脱氢,两次脱羧重新生成草酰乙酸。三羧酸循环中产生的NADH和FADH2会进入电子传递链产生大量的ATP。目前越来越多的研究也表明三羧酸循环与代谢性疾病以及癌症的发生发展息息相关。
  线粒体非折叠蛋白反应(UPRmt)是线粒体自我保护的一种防御手段。当线粒体中错误折叠蛋白异常累积的时候,线粒体就会启动UPRmt将那些错误折叠的蛋白降解,通过将信号传递给细胞核内调控线粒体热休克蛋白,蛋白酶等保护基因的转录水平从而维持线粒体蛋白的平衡。UPRmt作为新发现的细胞内应激机制,与衰老、先天性免疫、神经退行性疾病、二型糖尿病、癌症等疾病的发生发展密切相关。
  秀丽线虫作为模式生物具有生长周期短、遗传背景清楚、操作简单方便等优点。线粒体非折叠蛋白反应的信号通路虽然首次发现是在哺乳动物细胞中发现的,但是其分子机制的研究却是在秀丽线虫中展开的,因此我们用秀丽线虫作为实验对象进行研究。
  线粒体是细胞的能量工厂,它与脂肪酸的合成与β氧化都密切相关。在本研究中,我们首先通过RNAi的方法筛选出三羧酸循环中aco-2或者idha-1被干扰后,能够专一性的在线虫的生殖腺中产生UPRmt,而且通过尼罗红染色结果证明当aco-2或者idha-1被干扰后会导致线虫中脂肪的积累。在秀丽线虫中aco-2编码的是顺乌头酸酶,在三羧酸循环中催化柠檬酸到异柠檬酸这一过程。idha-1编码的是异柠檬酸脱氢酶的α亚基,在三羧酸循环中催化异柠檬酸到α-酮戊二酸这一步。同时我们也观察到当这两个基因被干扰后其后代数目显著减少,我们猜测aco-2或者idha-1被干扰后导致的脂肪积累可能与生殖腺信号通路有关,因此将生殖腺信号通路中有关基因的突变体养存aco-2或者idha-1干扰菌上,尼罗红固定染色结果表明pha-4(zu225)能够恢复aco-2或者idha-1被干扰后的脂肪积累表型。因为aco-2和idha-1是三羧酸循环中的重要基因,我们猜测当这两个基因被干扰后柠檬酸的含量会升高。HPLC结果证明当aco-2或者idha-1被干扰后秀丽线虫体中柠檬酸含量会升高,而且外源补充柠檬酸也会引起脂肪的积累以及产生UPRmt。而柠檬酸通过柠檬酸裂解酶产生乙酰CoA参与到脂肪酸的合成。ATFS-1,DVE-1和UBL-5作为UPRmt中重要的转录因子,我们发现这三个基因的突变体atfs-1(tm4525),dve-1(tm4803)以及ubl-5(ok3389)也能够抑制aco-2或者idha-1被干扰后引起的脂肪积累。
  本文主要是想探究三羧酸循环如何影响脂肪代谢以及线粒体非折叠蛋白反应,并且试图解答线粒体非折叠蛋白反应与脂肪储存之间的关系。
[硕士论文] 徐境雪
控制理论与控制工程 大连理工大学 2017(学位年度)
摘要:如今不论从生物系统建模角度,还是从系统层面分析的角度,作为一个理论分析工具,多层布尔网络均受到了各界研究者的广泛关注。布尔网络是一个在描述、分析和模拟细胞网络方面的十分有力的工具。在布尔网络中,研究与其控制相关的问题不仅仅为复杂生物系统的内部控制的研究提供了新的视角,而且还为我们利用外部输入研究操控生物系统提供了新的方法。布尔网络的可观测性问题,是评估通过对系统输出的观测能否确定其初始状态的能力的问题。所以对于任何网络来说,其可观测性都是一种结构属性,也是以控制理论和系统科学中的一个基本概念。所以对多层布尔网络的可观测性的研究非常有必要。
  本文研究了多层布尔网络的可观测性问题。首先,我们给出了多层布尔网络的相关介绍。接下来,为了后续分析证明得以进行,我们引入了矩阵的半张量积计算方法,给出了其概念及性质,通过矩阵的半张量积方法,可以将大多数的布尔网络的逻辑模型转化为离散的代数形式,从而使得很多研究传统网络的方法得以使用。然后我们研究了多层布尔网络的可观测性问题,定义了其可观测性,给出了其可观测的充分必要条件并证明了所提定理,举出例子说明所得结果。在多层布尔网络的基础上,我们分别研究了多层布尔控制网络和多层概率布尔网络的可观测性的问题。对于多层布尔控制网络,引入控制网络和自由控制两种外部输入形式,分别研究了其可观测性,并举出了可观测及不可观测的例子。最后我们研究了多层概率布尔网络的可观测性的问题,同样的给出了可观测的定义和判定可观测性的定理并证明了其成立,举出例子说明所得结果。文末给出了结论及下一步的工作方向。
[硕士论文] 李波
精细化工 大连理工大学 2017(学位年度)
摘要:黏度是细胞非常重要的参数之一,其变化影响细胞内生物分子的作用,化学信号的传递和反应代谢物质的扩散等。细胞黏度的变化与体内某些疾病的发生如动脉粥样硬化、阿尔茨海默氏病、糖尿病、细胞恶性肿瘤等具有非常密切的关联,因此,在细胞水平上对黏度变化进行监控十分重要。
  本研究合成了一例双核金属铱配合物黏度探针C10([(df-ppy)2Ir(bpy)(CH2)10(bpy)Ir(btph)2]2+),借助其双发射(521和708nm)能够实现对黏度变化的比率检测。C10发光强度比率值(I708 nm/I521 nm)的对数与黏度值的对数具有很好的非线性拟合关系(R2=0.982),可以检测细胞黏度变化。C10的Stokes位移达到258 nm(λex=450nm,λem=708nm),磷光寿命长,其近红外发射可以有效避免生物背景荧光的干扰。C10不易受到溶剂、极性和生物分子(小牛胸腺DNA,人源血清蛋白和18种氨基酸)等参数的影响,可以实现对黏度的专一检测。C10具有很低的细胞毒性,能够在癌细胞和正常细胞中表现出不同的光强响应,可用于区分正常细胞和癌细胞。此外,C10可以实时监控由依托泊苷诱导MCF-7细胞凋亡而引起的黏度变化。为了探究不同碳链连接长度对双核金属铱配合物性能的影响,合成了C5, C12([(df-ppy)2Ir(bpy)(CH2)n(bpy)Ir(btph)2]2+, n=5,12)。在两发光团LRET(发光共振能量转移,Luminescence Resonance Energy Transfer)效率方面,C10的效率最高,C12最差。随着溶液黏度的增加,C5的发光强度比率值对数(I713 nm/I526 nm)与黏度值对数的非线性拟合关系最好(R2=0.997),三例配合物都具有很长的磷光寿命,均不易受溶剂、极性和生物分子的干扰。随着碳链的延长,其细胞毒性逐渐增大。在细胞成像方面,C5和C12同样会在癌细胞和正常细胞中有不同的光强响应,并且通过癌细胞的比率图可以看出细胞质中的黏度分布。此外,C5和C12在依托泊苷处理30 min后的Hela细胞中表现出明显的发光强度增强,可以检测出细胞黏度的增加。
[硕士论文] 马银良
细胞生物学 河北大学 2017(学位年度)
摘要:肽聚糖是组成微生物细胞壁的主要成分,它对细胞完整性,细胞形态及耐受渗透压有着重要的作用。肽聚糖代谢包括合成代谢和降解代谢,代谢过程需要一系列的酶共同完成,缺一不可。在致病性大肠杆菌O157中,有40%-50%的肽聚糖水解产物会被重新利用合成肽聚糖。肽聚糖酰胺酶 MpaA作用于胞壁质三肽(Mtp)L-Ala-γ-D-Glu-meso-DAP,负责切割γ-D-Glu与meso-DAP之间的酰胺键。若MpaA活性降低或丧失,则会影响Mtp降解,最终导致肽聚糖合成受到抑制进而影响菌体正常生长。细菌内 D-型氨基酸含量很低,且通常由相应的L-型氨基酸通过消旋酶作用生成,谷氨酸/天冬氨酸消旋酶 AspR负责将 L-Glu或L-Asp通过消旋作用生成相应的D-Glu或D-Asp。D-Glu是肽聚糖组成不可或缺的成分。如果 D-Glu合成受阻,会使肽聚糖合成受到阻滞,影响肽聚糖的完整性及自身正常生长,严重时会导致菌体死亡。
  本论文致力于解析肽聚糖酰胺酶MpaA与谷氨酸/天冬氨酸消旋酶AspR的三维结构,阐明结构与功能的关系。通过克隆基因和构建表达载体、纯化重组蛋白并结晶、收集高分辨率晶体衍射数据、解析蛋白三维结构系等一系列工作阐明MpaA和AspR结构与功能的关系。MpaA和AspR均是潜在的小分子药物作用靶点,本论文的研究结果将为新型小分子药物的研发提供结构学数据。
  MpaA晶体结构分辨率2.6。每个不对称单元含有两个蛋白单体分子,每个单体分子含有一个Zn2+。MpaA蛋白单体分子由7个α-螺旋和10个β-折叠组成,呈现金属羧肽酶典型的α/β构象。在氨基酸序列保守性分析基础上,通过比较MpaA、Vh-MpaA和CPA1活性中心,发现:活性中心高度保守,催化氨基酸和Zn2+离子配位氨基酸完全保守,这意味着MpaA的催化反应机制与金属羧肽酶超家族蛋白相同。在 MpaA中含有两个重要的loop结构:Tyr133-Asp143 loop和Val204-Thr211 loop。其中,Tyr133-Asp143 loop柔性强,发挥活性腔盖子作用,负责调节底物Mtp进入与结合;Val204-Thr211 loop结构有序,影响底物结合的特异性。
  谷氨酸/天冬氨酸消旋酶AspR游离态晶体分辨率为1.6?,每个不对称单元含有一个蛋白分子, AspR单体蛋白分子含有两个结构域:N端结构域(N1-C101和 N216-C228)和 C端结构域(N102-C215)。每个结构域均为α/β折叠方式。底物结合态AspR-L-Asp复合物和产物结合态AspR-D-Asp复合物的晶体分辨率分别为1.76?和1.59?。将游离态AspR与底物结合态或产物结合态的AspR进行叠合发现:当产物或底物结合时,AspR不发生构象的开关变化。AspR活性中心有独特催化对Thr83-Cys197,此催化对不同于典型的Cys-Cys催化对。在底物结合态复合物中,底物L-Asp的α-碳原子直接朝向催化对中的Cys197,而在产物结合态复合物中,产物D-Asp的α-碳原子则朝向了催化对中的Thr83。在分析Cys197-巯基和Thr83-羟基活泼性的基础上,本论文首次从结构生物学角度阐明了AspR消旋反应单向性的催化机理。
[硕士论文] 王文贺
轻工技术与工程 北京化工大学 2017(学位年度)
摘要:叶绿体起源于蓝藻细胞内共生,至今仍像一个独立个体一样进行分裂。叶绿体通过二分法进行分裂,位于叶绿体基质侧内包膜(IEM)上的FtsZ环与位于叶绿体细胞溶质侧外包膜(OEM)上的ARC5环同时收缩挤压最终共同完成这一分裂过程。而位于IEM上的ARC6蛋白与位于OEM上的PDV2蛋白在内外包膜间隙(IMS)间的相互作用实现了FtsZ环与ARC5环之间的连接与协作。遗憾的是,ARC6与PDV2之间协同作用的机理至目前为止研究的还不够清晰。
  在这篇论文里,我们将ARC6与PDV2两个蛋白通过一段灵活的肽链相融合,并对融合蛋白进行了表达、纯化、晶体筛选以及后期获得晶体后的晶体优化,通过这一系列工作最终获得了高质量的复合物晶体结构,成功解析IMS区域内ARC6-PDV2复合物的晶体结构。从结构上我们发现,PDV2的C末端巧妙地嵌入了ARC6所形成的口袋型区域,这种结合方式就像一把钥匙插入到锁里一样,与此同时,我们进一步发现PDV2的结合诱导ARC6二聚体的形成。pdv2突变体植株削弱了PDV2诱导ARC6形成二聚体而导致植物细胞内ARC6环出现形态学异常,并进一步给叶绿体分裂带来负面影响。
  综合前述,本论文的研究揭示了PDV2引起的ARC6二聚在叶绿体分裂过程中有着至关重要的作用,同时提出了一种内外协同作用下的质体分裂机制。
[硕士论文] 魏然
计算机技术 西安电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:近年来,随着神经科学的迅速发展,浦肯野细胞以其在运动学习过程中的重要作用引起了研究者们的广泛关注。虽然现有的详细房室模型较好地模拟了浦肯野细胞活体电生理行为,但却以庞大的计算资源为代价。针对这一问题,如何在保持浦肯野细胞主要功能特性的基础上实现其形态结构的简化尤为重要。它不仅可以模拟浦肯野细胞详细房室模型的输出特性,而且有助于大大降低计算资源。因此,研究浦肯野细胞结构简化模型具有重要意义。
  本文针对浦肯野细胞结构简化过程中面临的挑战性问题进行研究,主要内容包括:
  (1)目前大多数浦肯野细胞结构简化模型难以在保持良好精度的基础上实现浦肯野细胞形态结构的有效化简,而且往往忽略了突触输入这一重要的刺激类型的影响。鉴于此,本文提出一种基于细胞电学特性编码的浦肯野细胞结构简化模型,通过利用输入电阻对浦肯野细胞树突结构进行编码的方式实现自动化分类聚簇及形态化简。实验结果表明所提模型在突触输入刺激条件下准确模拟浦肯野细胞的电生理行为,并在浦肯野细胞形态结构有效化简的基础上保持良好的精确度。
  (2)由于上述提出的基于细胞电学特性编码的浦肯野细胞结构简化模型不能自适应地满足不同形态浦肯野细胞的简化需求。为此,本文进一步提出了基于自适应Shreve编码的简化模型。该模型首先通过浦肯野细胞树突的层次化编码实现不同形态浦肯野细胞分类阈值的统一;随后,根据细胞总体积不变的原则实现浦肯野细胞的几何特性优化,从而显著提升了简化模型的精确度,有效模拟了浦肯野细胞详细房室模型输出特性。
  综上,本文在研究浦肯野细胞生理特性的基础上,提出了两种浦肯野细胞结构简化模型。通过浦肯野细胞树突结构的编码分类,所提出的模型在保持浦肯野细胞主要功能特性的基础上成功实现了其形态结构的有效简化。
[博士论文] 江莹
生物医学工程 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:癌症独特的能量代谢方式是其恶性表型的标志性特征之一,发展针对癌症能量代谢的治疗手段将是实现癌症有效治疗的新方向。有多篇报道指出细胞小窝结构的成分蛋白:小窝蛋白1(caveolin-1, Cav-1)与细胞能量代谢密切相关,同时小窝结构也是细胞与外界环境进行信息交换的桥梁,其运动性是其功能发挥的基础。本文通过研究Cav-1/小窝结构内吞及运动性信号途径,以及Cav-1和线粒体之间的相互作用,揭示Cav-1在细胞能量代谢中所扮演的角色,以及Cav-1运动性的关键作用,取得的主要研究成果如下:
  1. RalA调节Cav-1/小窝依赖的内吞过程:(a)通过考察牛血清白蛋白(BSA,bovine serum albumin)诱导的内吞过程中RalA活化状态的变化,证明内吞过程可触发RalA活化。(b)通过检测RalA持续活化突变体和显性负突变体对内吞以及RalA,Cav-1结合水平的影响,说明内吞过程的实现以及RalA与Cav-1的结合都需要RalA活化。(c)利用siRNA的方法抑制RalA的表达,同时转染质粒恢复其表达,对比抑制前后以及恢复表达后内吞水平的变化,证明RalA是Cav-1/小窝内吞的重要调节分子。
  2. RalA通过活化下游效应分子PLD(Phospholipase D)调节Cav-1/小窝依赖的内吞:(a)通过研究PLD非特异性抑制剂对内吞的影响,证实PLD活化对内吞的促进作用。(b)采用PLD1和PLD2特异性抑制剂确定只有PLD2是内吞的调节分子。(c)PLD2抑制剂和突变体对Cav-1-RFP运动性的抑制再次证实PLD2在此过程中的重要作用。(d)通过PA感应器GFP-PASS(phosphatidic acid biosensor with superior sensitivity)观察内吞过程中PLD2下游产物PA(phosphatidic acid)在小窝生成并由此促进Cav-1/小窝依赖的内吞。
  3. Cav-1抑制引起线粒体形态学的改变:(a)采用siRNA的手段抑制Cav-1的表达,同时观察线粒体形态,发现线粒体呈现片段化和增长的双重改变。(b)利用PA-GFP(photoactive-GFP)在线粒体的扩散程度量化线粒体的基质融合程度,此结果亦可代表线粒体的动态水平。对比Cav-1抑制前后,发现抑制后细胞的线粒体有更高的动态水平。(c)通过FRAP(fluorescence recovery after photobleaching)方法测试基质蛋白的运动速率,进一步强化Cav-1抑制提升线粒体动态水平的结论。
  4. Cav-1通过抑制Mfn2和Drp1的线粒体定位改变线粒体动态:(a)线粒体组分分离发现抑制Cav-1,Mfn2和Drp1在线粒体的表达量增加。(b)通过免疫共沉淀和FRET(fluorescence resonance energy transfer)的方法证实Cav-1分别与Mfn2和Drp1二者结合。(c)免疫荧光染色同样检测到抑制Cav-1时Drp1在线粒体的定位增加。(d)引入ER和线粒体的人工链接分子OMM-ER-mRFP加强ER和线粒体交互,发现Mfn2在Cav-1抑制的情况下发生ER回流,说明Cav-1可能通过调节ER和线粒体交互来调整Mfn2在二者的表达水平。
  5. Cav-1的抑制是线粒体自噬的诱因:(a)对比Cav-1抑制前后线粒体比量的变化发现Cav-1抑制导致线粒体比量减少。(b)通过对比细胞自噬标志分子表达量,发现Cav-1抑制细胞的自噬水平升高。(c)引入mt-Keima检测线粒体自噬,证实Cav-1的低表达可诱导线粒体自噬的发生。
  6. RalA通过Cav-1影响线粒体功能和细胞能量代谢:(a)采用siRNA的手段实现RalA和Cav-1的单独和共同抑制。(b)检测MMP,ATP,H2O2和糖酵解产物L-lactate的生成,发现RalA和Cav-1抑制的细胞中出现MMP和ATP生成的降低以及H2O2和L-lactate的增加,并且RalA和Cav-1共同抑制时与单独抑制Cav-1结果无异,证明RalA的作用是借Cav-1发挥的。
  总之,本论文通过对Cav-1/小窝内吞途径的分析确立了RalA在此过程中的重要调节作用,并证实该作用是通过其下游效应分子PLD催化PA在小窝生成而实现的。通过研究Cav-1与线粒体的关系,发现Cav-1抑制Mfn2和Drp1的线粒体表达进而调节线粒体动态水平和线粒体自噬。最后将RalA和Cav-1联系起来,说明Cav-1的表达水平和运动性均能对线粒体功能和细胞能量代谢带来重大影响。
[硕士论文] 梁敏
生物化学与分子生物学 山西大学 2017(学位年度)
摘要:轴周蛋白(Periaxin)是成髓鞘的施万细胞和晶状体纤维细胞中特异且大量表达的一种细胞骨架相关蛋白。Periaxin参与髓鞘中PDG复合物的形成,是Cajal条带存在的分子基础,一旦L-periaxin突变或缺失会引起过度髓鞘化或脱髓鞘现象。Periaxin的定位在髓鞘的形成过程中是不断变化的,从最初的细胞核到最后的远离轴突的质膜处。Periaxin可以编码含有PDZ结构域的两种蛋白亚型,分别为L-periaxin和S-periaxin。PDZ结构域在Periaxin定位和PDG复合物形成中具有重要作用,但与其结合的配体却未见报道。EphrinB2是受体酪氨酸激酶家族的一个成员。EphrinB2配体可以和其对应的受体EphB2之间形成双向信号,这种信号可以直接指导轴突的生长、细胞的聚集和迁移、髓鞘的形成。EphrinB2配体包括胞外区,跨膜区和胞内区,在C端包含有PDZ结合基序。通过结合PDZ协调组织细胞膜上的蛋白复合物。
  本文对L-periaxin与EphrinB2间的相互作用进行了分析。首先,免疫荧光共定位实验结果表明了L-periaxin与EphrinB2在细胞质和细胞膜上有共定位现象。之后对L-periaxin与EphrinB2之间的相互作用进一步验证,结果显示L-periaxin与EphrinB2之间存在相互作用。为了确定EphrinB2与L-periaxin的互作的具体区域,对L-periaxin的四个不同的结构域分别利用双分子荧光互补实验、海肾荧光素酶互补实验及免疫共沉淀实验去分析与EphrinB2间的相互作用,结果表明L-periaxin的 PDZ结构域与 EphrinB2之间存在着相互作用。将EphrinB2的PDZ结合基序去掉之后,这种相互作用消失。S-periaxin与L-periaxin有着同样的PDZ结构域,通过双分子荧光互补实验(BiFC)、海肾荧光素酶互补实验、免疫共沉淀实验、GST Pull-down实验的检测,也证实S-periaxin的PDZ结构域与EphrinB2的相互作用。
  实验室前期研究揭示L-periaxin可以通过其分子内NLS2,3结构域与酸性结构域的相互作用形成首尾自环结构,而DRP2与L-periaxin的NLS2,3的结合会减弱L-periaxin的分子内的首尾相互作用。本文通过DRP2的干扰实验,体外NLS3多肽孵育施万细胞,结合双分子荧光互补实验,揭示DRP2及NLS3合成多肽片段可以竞争性结合L-periaxin的NLS结构域,从而破坏L-periaxin之间的分子内的相互作用,免疫荧光定位揭示L-periaxin的分子由闭环到开环的状态改变,引起L-periaxin细胞膜定位数量的增加。
  最后,为了检测L-periaxin是否影响RSC96细胞的增殖,利用MTT法及流式细胞术对敲除L-periaxin及过表达L-periaxin后对RSC96细胞的增殖的影响进行了研究。结果显示敲除了L-periaxin基因的细胞增殖速度减慢,G1期细胞的比例比正常细胞增加了18.16%, S期减少了20.62%。说明了L-periaxin会促进RSC96细胞的增殖。
[硕士论文] 陈欣欣
生物物理学 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:由于抗生素的滥用,病原菌的耐药性已经变得越来越强。因此,迫切地需要发展一个更加有效且合理的方式来解决细菌强耐药性的问题。在寻找更加有效的治疗方式时,许多精力都放在了细胞壁裂解酶的研究中。细胞壁裂解酶能够破坏细菌的细胞结构,进而杀死被侵染的细菌,得益于该酶对耐药菌株具有高效能活性,而且导致新型耐药表型细菌出现的概率较低,因此细胞壁裂解酶成为抗菌药物研究的合适候选者。
  面对海量的蛋白数据,提供一个计算方式来准确且有效地预测细胞壁裂解酶是很有必要的。本工作致力于开发一个预测器来识别细胞壁裂解酶。为了这个目的,在本工作中,首先通过搜寻 UniProt数据库收集了一系列客观且严格的蛋白序列。最终,68条细胞壁裂解酶蛋白和307条非裂解酶蛋白序列被选中并构成基准数据集。随后,我们使用改进的伪氨基酸组分来表征蛋白样本序列,不仅包括序列的 g-间隔二肽组分,还包括两个残基之间理化性质的相关性。一种基于方差分析的特征筛选技术被用来获取含有63个特征的最优特征子集,最终支持向量机算法被用来执行预测。Jackknife交叉验证获得了84.82%的最优的平均精度,且此时全局精度为90.13%、auROC为0.926。为了便利其他研究者,我们开发了一个免费的预测器 Lypred,其网址为 http://lin.uestc.edu.cn/server/Lypred。我们确信 Lypred将成为裂解酶研究和抗菌药物研发的有力工具。
  根据物种来源的不同,细胞壁裂解酶又可分为内溶素和自溶素两种。我们将Lypred中的68条细胞壁裂解酶作为数据集构建模型来进一步辨识它们,其中的27条内溶素蛋白作为正样本,余下的41条自溶素蛋白序列组成为负样本集。我们用三肽特征来提取蛋白序列的信息,为了剔除冗余的、嘈杂的特征,使用二项分布来进行特征筛选。最终通过使用对分类最有贡献力的44个特征,支持向量机被用来训练了预测模型。所构建模型的全局精度高达94.12%,auROC也达到了0.986,这证明了所构建模型的强健。
[硕士论文] 张峰
生物医学工程 东南大学 2017(学位年度)
摘要:真核生物染色质在核内具有高级结构,除了将基因组DNA装配并压缩,染色质结构具有调节基因表达的功能,且呈动态变化,随细胞状态、类型不同而不同。Hi-C技术能够在全基因组范围捕获染色质相互作用信息。本论文重点关注:1,分析染色质多重相互作用特征及在分化中的变化,即分析染色质多个部分(n≥3)相互作用(靠近)的特征及其在不同类型细胞中的变化。2,染色质相互作用可视化,即基于Hi-C信息,通过一定算法,直观地展示染色质在核内的分布和相互作用情形。3,理解染色质多重相互作用及染色质结构动态的生物学意义。
  利用人类胚胎干细胞及四种分化细胞的Hi-C数据,通过Hi-C Reads的位置信息,识别出染色质多重相互作用位点,并通过深度优先遍历算法构建染色质相互作用网络。发现:染色质多重相互作用位点约占所有相互作用位点数目的30%,存在局部富集效应,干细胞具有更多的多重相互作用位点,分化中多重作用数量变少;染色质相互作用网络呈现大量星型结构,在不同细胞系间局部集中程度存在差异,但整体集中程度相近;染色质相互作用关联的基因,在干细胞与分化细胞间有70%~80%相同,这些共同的基因表达活跃。总之,在细胞分化过程中,染色质多重相互作用局部变化较多,整体框架稳定。
  基于干细胞及分化细胞的Hi-C数据,利用多维标度分析(Multi-dimensional Scaling,MDS)算法,构建了染色质三维结构模型及染色质空间结构可视化方法,并结合基因表达信息与表观遗传信息对结构特征进行了分析。结果表明:论文的模型可以基于H1-C信息,直观地展示染色质的空间相互作用情况。在不同类型细胞间,染色质相邻位点间平均距离变化剧烈,而方向角变化稍小,说明染色质动态更多涉及平动,而非旋转和扭曲。干细胞与分化细胞有50%以上的染色质结构保守(r>0.8),保守区域线性位置相对固定。表观遗传修饰偏向于分布在结构上不保守且紧密靠近的染色质区域。以上表明,分化有关的染色质变化主要以距离的平移为主,且涉及表观遗传修饰。
  论文通过分析染色质多重相互作用,构建染色质作用可视化模型,建立了基于Hi-C的染色质动态分析方法,研究了分化中的染色质结构特征,结果暗示:染色质多重作用比例多,分化中减少;染色质动态以平动为主,主要发生在紧密作用区域,与表遗传修饰关联。论文的方法和结果为理解染色质结构及其变化提供了线索。
[硕士论文] 何超
遗传学 解放军军事医学科学院;中国人民解放军军事医学科学院 2017(学位年度)
摘要:对于真核生物,染色质是最大的单一生物大分子,是基因组的存在形式,是遗传和表观遗传的共同载体,而细胞核是染色质的储存空间。在有丝分裂间期,不同的染色质在细胞核内分别占据一个相对独立但又相对固定的空间位置即染色体领域CT(Chromatin Territory),每条染色质进一步分层级折叠成复杂而有序的三维高级结构,这些稳定的高级结构及其核内空间定位与 DNA重组与复制、基因的转录甚至翻译等密切相关。大量研究发现,很多调控因子都是依赖着染色质三维空间结构来发挥功能。
  染色体构象捕获技术3C(Chromosome Conformation Capture)是2002年出现的研究染色质折叠的核心生化技术,近年来随着3C的衍生技术如4C、5C、Hi-C、Capture-C以及考察特定蛋白介导染色质互作的 ChIA-PET等分子图谱(Mapping)以及DNA-FISH等不同类型的成像(Imaging)技术的迅速发展,人们对染色质折叠的认识不断加深。目前普遍认为:有丝分裂间期染色质的折叠包含染色质领域(chromosome territory)、拓扑结构域(TAD)、染色质环(chromatin loop)等从大到小不同层级的结构单元,作为基因组序列及其DNA和组蛋白修饰、染色质调控蛋白的结合等的最终载体和响应器(carrier&responser)或“集大成者”(moderator),基因组的复杂三维高级结构与组蛋白修饰、DNA甲基化、DNase敏感性等基因组其它组学特征以及基因的复制、转录等基因组功能特征密切相关。
  顺式调控元件 CREs(cis-regulatory elements)往往指的是与结构基因串联的特定非编码DNA序列,它们通过与转录因子等的结合而调控基因转录的精确起始和转录效率,从而参与基因表达的调控。根据序列组成等特性,可以将其分为常见的启动子、终止子、增强子、绝缘子、边界元件、基因组座位调控元件以及重复元件、核基质附着区等不同类型。其中重复元件(repeat elements)在基因组中多次重复出现,包含了大量的有着不同的结构和来源的DNA元件,在真核生物基因组中的比例可达到一半以上。根据片段长度及生物学特性,重复元件可进一步分成串联重复序列及转座元件等。由于受到测序读长、比对等技术手段的限制,人们对于重复元件在基因组中发挥的功能和机制目前还知之甚少,需要进一步发掘。核基质附着区(MARs)是一类在不同物种与组织细胞的基因组中广泛存在的、富含 AT序列且与核基质紧密结合的 DNA元件。目前认为MARs元件一方面可能作为染色质三维折叠的结构单元,对于建立和维持染色质领域发挥着作用;另一方面可能作为基因表达调控的功能性单元,通过与核基质等结合,调节基因表达。
  本研究以染色质三维结构实验数据为基础,通过多组学数据整合分析,从基因组序列特征出发,考察了多种不同顺式调控元件在染色质三维折叠中的可能作用,以及染色质三维结构对这些元件演化等潜在影响,为进一步深入了解不同元件在染色质三维高阶结构的建立、维持以及传递等过程中可能的作用奠定了基础。
  本论文的主要研究内容如下:
  开发了Hi-C数据处理的一站式软件HBP。建立了针对特殊顺式调控元件的研究方法,开发了能够系统考察特殊顺式调控元件参与的染色质相互作用的处理软件HBP(Hi-C BED file analysis Pipeline),通过简单的操作即可实现针对不同元件的处理和分析。HBP作为一款开源、灵活、高度优化的一站式处理平台,能够有效地分析全基因组三维高级结构特点及特殊序列元件参与的染色质相互作用,大大方便了针对特定相关区域染色质折叠的系统研究。作为一个简便、高效、可靠的工具,HBP能够通过整合组蛋白修饰一级 ChIP-seq、RNA-seq等其它组学数据,针对特定区域的染色质相互作用进行大规模系统挖掘与分析,对潜在分子机制以及生物学意义等进行多方面的研究。
  基于染色质三维结构对部分重复元件进行了研究。重复元件在各类物种基因组中广泛分布且种类繁多,不同种类之间序列功能各异。本研究探索了与染色质三维结构高度相关的一些重复元件子类,发现了包括Alu等在内的重复元件广泛地参与了染色质的三维折叠。首次从染色质三维结构的空间距离层面,系统考察了相邻重复元件子类间的演化过程,发现在一维序列演化关系上相对靠近的子类,在三维空间结构上的相互作用强度相对较高,提示重复元件的进化历程可能与基因组三维高级结构的形成密切相关。
  基于染色质三维结构对核基质附着区进行了研究。核基质附着区 MARs(Matrix Associated Regions)在不同的物种间广泛存在,虽然存在AT序列相对富集等共同序列特征,却没有发现显著保守性等其它结构特征,此外其在细胞核内的功能和机制也尚无定论。本研究针对MARs元件,从相互作用频率分布、网络拓扑结构及潜在生物学功能等三方面进行了探索。发现 MARs元件与染色质三维结构高度相关,且在高强度相互作用中占据着较大的比例,提示MARs元件对染色质折叠具有重要影响。同时,拓扑结构聚类分析证实MARs元件可以分为不同类型,包括了维持染色质领域及高级空间构象等方面的结构单元部分以及调控基因表达等方面的功能单元部分,提示不同类型 MARs元件在基因组细胞核高级结构及功能上可能发挥不同的作用。
  综上所述,本课题以染色质三维结构为基础,以研究不同顺式调控元件在染色质三维结构中发挥的作用为目的,开发了特定的Hi-C数据分析处理软件HBP,建立了多组学数据的整合分析方法,并且对部分重复元件及核基质附着区与基因组三维高级结构的关系等进行了分析,发现了一些与染色质三维结构高度相关的现象,为进一步的染色质高阶构象及构成元件结构与功能等方面的研究奠定了基础。
[硕士论文] 陈晓洁
物理学 浙江师范大学 2017(学位年度)
摘要:细胞膜是细胞表面主要由膜脂和膜蛋白组成的双分子层。细胞膜使细胞内部组织与外界环境分隔开,同时也在细胞内外能量和物质交换过程中扮演着重要的角色。细胞膜的侧向组织(lateral organization)和膜内分子的动力学行为在很多细胞的生命活动过程中起着非常重要的作用,因此弄清楚细胞膜的微观结构和动力学性质对于理解细胞膜的生物功能以及相关的生物过程或疾病的微观机制具有非常重要的意义。已有研究表明,脂分子在细胞膜中的侧向分布是不均匀的,在一定条件下会发生相分离形成微观畴结构(domain)。然而,由于细胞膜系统结构和动力学性质的复杂性,无法从实验上直接观察和研究真实细胞膜中纳米尺寸的微观畴结构,人们对于细胞膜内脂分子(尤其是带电脂分子)侧向相分离和侧向动力学行为的微观机制知之甚少。
  本文主要采用基于粗粒化MARTINI力场的分子动力学方法,详细研究了脂分子的带电性质以及不饱和度对细胞膜微观结构和动力学性质的影响。我们主要模拟了由带电或不带电的饱和脂分子、不饱和脂分子和胆固醇组成的三组分细胞膜模型脂质双分子层。通过改变脂分子的带电性质和不饱和度,分析脂分子的面积、扩散系数和有序度等,从分子层次上系统地揭示了脂分子的带电性与不饱和度是如何共同影响细胞膜的微观结构和动力学性质的。我们的研究结果主要包括以下几部分:
  (1)当不饱和脂分子的不饱和度较低时,系统中带电脂分子之间的静电相互作用会抑制脂双层发生相分离行为,特别是当脂双层中的饱和脂分子带电,不饱和脂分子不带电时,脂分子在脂双层中的分布近似均匀。这种情况下,脂质双层膜的微观结构受到带电脂分子之间的静电相互作用的影响很大。
  (2)当不饱和脂分子的不饱和度较高时,不管是电中性的膜还是带电的膜,都发生强相分离,分成流体有序畴和流体无序畴。显然,在这种情况下,脂双层膜的微观结构主要由脂分子的不饱和度控制,脂分子的带电性对脂双层的相分离行为几乎没有影响。
  (3)通过比较各个脂双层膜内脂分子的侧向扩散系数,我们发现,带电脂分子之间的静电排斥相互作用能够增加脂分子在膜平面内的扩散速度。尤其是在含有低不饱和度脂分子的系统里,静电排斥相互作用对脂分子侧向扩散的影响非常显著。在含有高不饱和度脂分子的系统里,由于系统发生强相分离,静电排斥相互作用对脂分子侧向扩散的影响不太明显,但是跟电中性系统里脂分子的侧向扩散比较还是有些增强。
  我们的这项研究工作为理解细胞膜中微观畴结构和脂分子的侧向扩散的微观机制提供了一些理论参考。
[硕士论文] 薛陆明
神经病学 桂林医学院 2017(学位年度)
摘要:目的:
  通过构建Drp1( dynamin-related protein1)、Marf(mitoechondrial assembly regulatory factor)转基因果蝇,探讨Drp1、Marf对果蝇间接飞行肌的影响,以及Drp1、Marf对线粒体形态结构的调控及其功能影响的相关性研究。
  方法:
  使用MHC-Gal4启动子,利用经典的GAL4/UAS系统,使果蝇线粒体形态调控基因Drp1和Marf特异性表达于肌肉组织中。通过敲除Drp1和过表达Marf基因干预调控其在果蝇肌肉线粒体的表达,改变线粒体的形态,观察果蝇翅膀的异常形态以及飞行能力,并通过透射电子显微镜观察果蝇肌肉组织间接飞行肌肌肉的排列和线粒体的形态学是否改变。通过ATP试剂盒检测线粒体ATP产能功能,并进一步应用Western Blot蛋白免疫印迹技术检测线粒体氧化呼吸链复合物I亚单位NDUFS3蛋白量表达量,来探讨Drp1、Marf对线粒体线粒体功能的影响。
  结果:
  相比于对照组,通过敲除Drp1和过表达Marf基因均使果蝇间接飞行肌发生障碍,表现为飞行能力变差,翅膀的异常率增高;电镜可观察到Drp1、Marf的转基因果蝇胸部肌肉组织线粒体呈融合状态,形态结构受损,果蝇间接飞行肌肉排列不规则,肌纤维存在断裂。线粒体氧化呼吸产生的ATP含量减少以及Western Blot蛋白检测线粒体氧化呼吸复合物I亚单位NDUFS3蛋白表达含量均明显下调。
  结论:
  敲除Drp1和过表达Marf基因果蝇模型都可以改变线粒体的形态结构,影响果蝇的飞行功能;敲除Drp1和过表达Marf基因的果蝇模型都可以使线粒体功能下调;推测无论是线粒体分裂受限还是融合过度,都会使线粒体功能发生障碍。
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