层次模块结构在代谢网络中的成因和生物学意义

代谢处于生命活动的功能执行层面 ,是驱动生命过程的化学引擎。代谢网络则是以网络形式描述代谢活动中所有化合物及酶之间的相互作用。通过对代谢网络的拓扑结构的大量研究，发现了层次模块结构等重要的结构特征。层次模块结构，即整个代谢网络由一些内部高度连接的，行使独立功能的模块组成，而这些模块以逐渐聚集的方式形成更大模块，从而完成整个代谢过程。初步研究发现，这种结构的形成可能与外部环境的多变性和内部的分工协作密切相关。在此基础上，本研究拟采用系统生物学的复杂网络分析方法和生物信息学方法，提出代谢网络合理的演化模型以解释真实网络呈现的各种结构特征，探讨层次模块结构在生物体实现稳健性、适应性和高效性的作用，并根据层次模块结构这一特性，构建新的算法，预测网络中尚未发现的酶基因，完善整个代谢网络。本研究不但揭示层次模块结构在代谢网络中的产生原因和生物学意义，而且为今后生物医学和代谢工程的相关研究提供新的思路。

细胞重编程，是21世纪生物医学领域最重大的研究成果之一，特别在再生医学领域有着远大的应用前景。但是，目前我们对细胞重编程的机制认识不够清楚，都是基于几个关键转录因子的表达调控，缺乏在系统水平上全面解析基因调控网络如何协调合作完成细胞重编程的机制。本研究计划正是希望用研究现代生物网络的先进分析方法，寻找细胞重编程过程中的重要调控模块结构，并深入研究其作用机制，为今后细胞重编程技术的推广打下重要的理论基础。项目采用了小鼠胚胎成纤维细胞（MEF），胚胎干细胞（ES），和用带有4个关键转录因子（OSKM）的逆转录病毒诱导体系构建了多功能干细胞系（iPS）；通过新一代测序技术RNA-seq，获得了ES细胞、MEF细胞与iPS细胞形成不同阶段的mRNA和miRNA表达谱信息；通过数据挖掘的方法，收集了关键转录因子的chip-seq的高通量数据，作为转录因子结合的依据；并用多种生物信息学方法联合预测了miRNA及其靶基因的关系。基于以上信息，成功构建了miRNA和转录因子共同介导的细胞重编程基因调控网络。通过现代网络分析方法，揭示了miRNAs与转录因子在细胞重编程过程中的分工和协作。通过网络模块结构分析，发现了在诱导多能干细胞重编程过程中起着重要作用的调控模块，以及连接这些调控模块的关键miRNAs：miR-200s、miR-29b和miR-138等。我们通过分子生物学实验验证miR-200s、miR-29b和miR-138分别通过调节ZEB2、DNMT3a/3b及p53等信号通路进而促进iPS细胞重编程的重要作用与新机制。这研究为开发以miRNAs为主的有效诱导iPS形成的方法，并利用非基因组整合小分子代替转录因子诱导iPS目标的实现提供重要的理论和实践依据。