哺乳动物配子发生基因动态网络的精准构建与演化分析

Gametogenesis is closely related to the reproductive capacity of livestock, and the study of its molecular mechanism has an important role in animal breeding. In previous research, we have detected the genetic factors related to gametogenesis for many mammalian species based on text mining technology and computational systems biology method. We found the dynamic and modularity of the molecular model within the molecular regulation pattern. However, besides the text knowledge, how to make full use of high-throughput sequencing data, including the gene expression, regulation and modification, construct gametogenesis precise gene network, explore its evolution mechanism still needs to be further researched. This project aims to integrate text and high-throughput sequencing data using bio molecular network comparison method, develop algorithm for data fusion of different levels data based on network mapping, construct robust and fine mammalian gamete network dynamic gene, explore its evolution in different developmental stages and different species and detect potential key genetic molecular marker and its pathway module from two aspects of theoretical calculation and experimental verification cooperative. The completion of this project will provide a new research perspective and theoretical support for the development of livestock precision genetic breeding.

配子发生和家畜繁殖力息息相关，其分子机理的研究对动物繁殖育种工作具有重要指导作用。前期研究中，申请人基于文本挖掘技术和计算系统生物学方法挖掘了多种哺乳动物配子发生相关的遗传因子，发现其分子调控模式具有动态性和模块性。然而，基于文本知识之外，如何充分利用高通量测序数据蕴含的基因表达、调控和修饰信息，构建配子发生精准基因网络，探索其演化机制仍有待进一步研究。本项目拟融合文本和高通量测序数据，利用生物分子网络比对方法，开发基于网络映射的不同层次数据融合算法，构建鲁棒、精细的哺乳动物配子发生基因动态网络，探索其在不同发育阶段、不同物种中的演化规律，从理论计算和实验验证两方面协同地挖掘潜在的关键遗传分子标记及其作用通路模块。本项目的完成将为家畜精准遗传育种工作的开展提供新型的研究视角和理论支持，具有重要的研究价值和潜在经济应用前景。

经过本项目的实施，我们基于所建立的文本挖掘系统以及高通量测序计算分析平台，对配子发生过程相关的高通量测序数据与文本数据进行整合分析，细致全面地挖掘了配子发生各阶段特异基因，并利用以蛋白-蛋白互作网络与图论为核心的计算系统生物学，整合了异源的高通量测序数据，完成了哺乳动物配子发生相关的基因网络构建工作，得到了配子发生过程中广谱以及特异表达的标记基因，发现了其演化过程中的基因表达、RNA编辑、可变剪切、表观组等不同角度的信号变化，从而实现了配子发生过程相关基因动态网络的精准构建及其发育演化过程中的动态分子信号。在此基础上，我们进一步利用单细胞测序技术把精子发生过程的分辨率推进到了单细胞层次，挖掘到了单细胞水平分辨率的分子标记，并利用其进行了基于环境因素作用的细胞通讯网络构建，发现了精子发生过程中支持细胞对雄性生殖细胞的作用途径，并且发现了奶山羊精子发生的相关途径与人类和小鼠精子发生的相关途径大致相似，此外，我们还筛选并鉴定了关中奶山羊精原细胞中表达的特定基因，开发了适用于包括配子发生不同类型的细胞相似性的算法与软件。这些工作将研究深入到了动物繁殖性能相关遗传和环境因素探索方面，并且将配子发生的基础机理研究深入到了环境对睾丸组织作用和影响、家养动物繁殖力的多层次遗传和环境影响等领域。基于以上研究所取得的进展，本项目为下一步的动物遗传育种、辅助生殖以及产前诊断等生产应用直接相关的问题打下了良好的理论基础与数据支撑。