融合DNA三维结构信息的真核转录调控研究

Transcriptional regulation is an important part of gene regulation. Computational understanding of transcriptional regulation mechanisms is an active field of research. Conventional methods are mainly based on primary DNA sequence, and ignore the contribution of DNA three-dimensional structure to transcriptional regulation. Here, we integrate various types of DNA three-dimensional structures into the study of eukaryotic transcriptional regulation using computational methods. We investigate into the evolutionary conservation of transcription factor binding sites on DNA structure within and among species. We develop a computational method based on DNA structure information to identify transcription factor binding sites, and provide insights into the DNA structural characteristics of transcription factor binding sites. We qualitatively and quantitatively evaluate the relationship between DNA structural characteristics of transcription factor binding sites and gene expression using Bayes network. This study is critical for further elucidation of complex mechanisms of eukaryotic gene transcriptional regulation, and lays a foundation for further insights into metabolized process in eukaryotic cells.

转录调控是基因调控的一个重要部分。用计算方法揭示转录调控机理是研究的热点。传统的方法主要是基于DNA一维序列，而忽略了DNA三维结构对转录调控的贡献。本课题使用计算方法结合多种DNA三维结构信息到真核生物转录调控的研究中。探索物种内与物种间转录因子结合位点在DNA结构上的进化保守性问题。基于DNA结构信息，开发计算方法来查找转录因子结合位点，查找结果可以提供转录因子结合位点的DNA结构特征信息。使用贝叶斯网络建立转录因子结合位点的DNA结构特征与基因表达之间的定性映射模型，并基于该模型，进一步建立它们之间的定量调控关系。对更全面地阐明真核基因转录调控的复杂机制有重要意义，为具体了解生物细胞的代谢过程奠定基础。

基因的转录过程对形成生命世界的差异性和复杂性是至关重要的。但是，对于转录的调控机理仍然所知甚少。本项目使用计算方法基于三维角度研究转录调控机理。研究分为三个部分：1、开发了一个计算方法，融合多类DNA三维结构信息，通过此方法产生了酵母全基因组范围内转录因子结合DNA结构的图谱。揭示了不同转录因子的结合DNA结构特性，对理解转录因子调控机理具有意义。2、探索DNA序列和染色质结构对基因环状形成的贡献。发现酿酒酵母环状基因在编码区的中间和3/4区域具有高的DNA弯曲性。这种弯曲性模式在酵母物种间保守，虽然弯曲性峰值的位置在各物种间有变化。人类细胞的环状基因也具有高的DNA弯曲性。这些结果揭示了DNA弯曲性帮助环状基因形成的机理。3、探索位置相邻基因在位置分离后是否保持相互作用。发现位置相邻基因在分离后会保持染色体间的共位置（也就是细胞核内共位置）。具有这些性质的基因在更多的物种里表现出位置相邻性，受共同的转录因子调控，受相同的组蛋白修饰调控。这些结果揭示了位置相邻基因在分离后如何保持细胞核内相邻性的机理。