生物学家创建了基因网络的计算模型

第一个基因网络的预测计算模型

这张海胆胚胎的图片显示了两个不同的调节基因正在表达,用荧光绿色和红色标记。彼得信贷:加州理工学院/伊莎贝尔

通过将他们的生物学知识转化成非常简单的布尔表达式,加州理工学院的生物学家们创建了第一个控制海胆胚胎发育的基因网络预测计算模型。

帕萨迪纳,加利福尼亚——动物从胚胎发育而来,其细胞走不同的路径,最终形成不同的身体部位——肌肉、骨骼、心脏。为了让每个细胞知道在发育过程中该做什么,它遵循一个基因蓝图,这个蓝图由称为基因调控网络的相互作用的复杂基因网组成。

加州理工学院(Caltech)的生物学家花了十年左右的时间详细研究这些基因网络如何控制海胆胚胎的发育。现在,他们第一次建立了这些网络中的一个计算模型。

这个模型中,科学家们说,一个非常好地计算这些网络做些什么来控制不同细胞的命运在早期阶段的海胆development-confirming几十个基因之间的交互足以告诉胚胎如何开始开发不同的身体部位在各自的空间位置。该模型也是一种强有力的工具,可以让科学家以一种以前不可能的方式了解基因调控网络,从而更好地研究发育和进化的遗传基础。

“我们以前从未有机会探索这些网络的重要性,”加州理工学院的诺曼·钱德勒细胞生物学教授埃里克·戴维森(Eric Davidson)说。yabo124“结果让我们很惊讶。”

研究人员在《科学》杂志的一篇论文中描述了他们的计算机模型美国国家科学院院刊这篇文章于8月27日提前在网上发表。

该模型包含控制内胚层细胞发育前30小时的基因调控网络,内胚层细胞最终形成胚胎的肠道、骨骼、肌肉和免疫系统。这个网络——迄今为止被分析得最广泛的任何动物生物的发育基因调控网络——由大约50个相互开启和关闭的调控基因组成。

基因网络的计算模型

加州理工学院的研究人员建立了第一个控制海胆胚胎发育的基因调控网络的计算模型。这里显示了网络的一小部分。信贷:加州理工学院/戴维森实验室

为了创建这个模型,研究人员将他们所知道的关于网络的一切信息提取成一系列计算机可以理解的逻辑语句。“我们把我们所有的生物学知识转换成非常简单的布尔值语句,”伊莎贝尔·彼得解释道,她是该论文的高级研究员和第一作者。换句话说,研究人员用一系列“如果-那么”语句来表示这个网络,这些语句决定了不同细胞中的某些基因是开启还是关闭(也就是说,如果基因a是开启的,那么基因B和C就会关闭)。

通过逐小时计算每个序列的结果,该模型确定了每个基因在胚胎中的何时何地开启和关闭。将计算结果与实验结果进行比较,研究人员发现,该模型几乎完全重现了数据。“效果出奇的好,”彼得说。

研究人员说,关于这个网络的一些细节可能还没有被发现,但这个模型如此准确地反映了一个真实的胚胎,这表明生物学家确实已经确定了几乎所有控制这些特定发育过程的必要基因。这个模型足够精确,研究人员可以调整特定的部分——例如,抑制特定的基因——并得到与之前实验相匹配的计算结果。

彼得说,允许生物学家进行这些虚拟实验正是计算机模型成为强大工具的原因。基因调控网络如此复杂,如果没有计算模型的帮助,人们几乎不可能完全了解每个基因的作用,而计算模型可以以前所未有的细节揭示网络是如何运作的。

用模型研究基因调控网络也可能为物种进化起源提供新的见解。通过比较不同物种的基因调控网络,生物学家可以在基因水平上探究它们是如何从共同祖先中分化出来的。

到目前为止,研究人员只模拟了一个基因调控网络,但他们的目标是模拟负责海胆胚胎每个部分的网络,建立一个不仅涵盖海胆生命的前30个小时,而且涵盖其整个胚胎发育的模型。Davidson说,现在这种建模方法已经被证明是有效的,创建一个完整的模型只是一个时间、精力和资源的问题。

PNAS论文的题目是“胚胎发育中基因组逻辑处理功能的预测计算”。除了彼得和戴维森,PNAS论文的另一位作者是伊曼纽尔·福尔(Emmanuel Faure),他曾是加州理工学院(Caltech)的博士后学者,现在在法国的巴黎理工学院(Ecole Polytechnique)工作。这项工作得到了国家儿童健康和人类发展研究所的支持。

图片:加州理工学院/伊莎贝尔彼得

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