人类不同细胞类型之间染色质状态动态变化及其对转录水平影响的研究

Transcription is a pivotal regulation process during gene expression, and it includes a series of regulatory components and regulatory factors. Mounting evidences have proved that chromatin modification can be regarded as the proxy of gene transcription activation. It becomes more and more important to describe the dynamic changes of chromatin states, and how these changes can influence gene transcription among different human cell lines. In this study, we attempt to compare the dynamic chromatin states among different human cell lines using whole genome epigenetic modification and transcription factor binding site data through machine learning methods. By this way, we can get better understanding about the causal relationship among the epigenetic modifications can transcription regulatory factors, and reveal the scenario of chromatin dynamic changes. Our work also attempts to pave a new way for the further disease analysis caused by chromatin states disorders at transcription level.

在基因表达中，转录调控是非常重要而复杂的过程，其中包括一系列的调控元件和作用因子。越来越多的研究证据表明，染色质修饰可以被看作基因转录调控功能及活性的重要标记。因此，如何更好的描绘人类不同细胞类型中染色质状态的动态变化，以及这些变化所产生的对基因表达的影响对于我们更清楚的理解人类细胞转录调控机制是至关重要的。本研究拟利用人类不同细胞类型的全基因组表观遗传学修饰数据以及转录因子结合位点数据，通过机器学习方法来深入挖掘和预测人类不同细胞类型的染色质的状态特征，以及不同细胞类型之间染色质状态的动态变化。通过该研究，可以更好的把表观遗传学修饰过程跟转录调控过程中各个作用元件的功能紧密联系，较为完整的描绘出基因转录过程中染色质状态的动态变化规律。本研究旨在为将来进一步研究疾病过程中染色质状态的异常变化所带来的基因表达紊乱提供一个新的研究思路。

miRNA是在真核生物中发现的一类内源性的具有调控功能的非编码RNA，其大小长约20~25个核苷酸。通过碱基互补配对的方式识别靶mRNA，并根据互补程度的不同指导沉默复合体降解靶mRNA或者阻遏靶mRNA的翻译。最近的研究表明miRNA参与各种各样的调节途径，包括发育、细胞增殖和凋亡等等。随着二代测序技术的推广以及ENCODE 计划的完成，越来越多的基于人类细胞的表观遗传学数据不断产生，其中包括各种组蛋白修饰数据和DNA甲基化数据。其中表观遗传学调控在基因表达的转录过程中起到调控作用。因此，我们系统的探讨了在人不同细胞中miRNA调控以及组蛋白修饰调控和转录因子调控之间的关系。.一、.组蛋白修饰和miRNA调控之间的协同作用机制。通过预测miRNA的调控靶基因，我们发现，miRNA靶基因的非靶基因之间相比，其启动子的各个组蛋白修饰程度均有显著的差异。这提示我们组蛋白修饰和转录后的miRNA调控之间有着一定的协同调控作用机制。如果这种作用机制存在，那么通过组蛋白修饰数据也许可以从某种程度上提示我们miRNA的调控机制及规律。因此，我们利用机器学习方法进行了预测。结果发现，预测结果有着非常高的灵敏性和特异性。同时，我们预测的miRNA靶基因更倾向于有着共同的生物学功能。我们的工作进一步揭示了转录调控的复杂机制。.二、.从染色质调控水平去理解miRNA调控规律。染色质的结构变异也在真核转录中起到重要的作用，这里面包括染色质调控因子，转录因子以及表观遗传学修饰的共同组合作用。DNaseI酶可以消化单链或双链DNA，DNaseI敏感区域经常跟转录因子结合位点呈现出很高的相关性。鉴于越来越多的DNaseI敏感数据的产生以及转录因子结合位点数据产生的难度，我们系统分析了DHS区域和miRNA调控关系，试图通过该分析，进一步给我们一些miRNA调控和转录因子调控的关系提供指导。我们发现miRNA靶基因的非靶基因之间相比，其启动子的DHS区域程度均有显著的差异。而且在intergenic区域，启动子区域和gene body区域变化不同，其中以启动子区域差异尤其显著。而且通过启动子区域的DHS数据，可以很好的对miRNA靶基因进行预测。该工作提示我们，在分析miRNA和转录因子调控时，动态的变化非常重要，而且不同区域的转录因子结合位点，可能产生的生物学意义不同。