印记基因的机器学习方法预测及候选印记基因的实验鉴定及功能分析

基因组印记是亲本表达特异的单等位基因表达的表观遗传现象，参与多个生物学过程，在调控生长发育中起重要作用。印记基因的鉴定和功能分析一直是发育生物学领域的热点，然而潜在的候选基因的选择是发现新的印记基因的瓶颈。本课题首先利用高通量的遗传与表观遗传特征开发有效的生物信息学方法（支持向量机和隐马模型）预测全基因组印记基因，为实验鉴定印记基因提供可靠的数据资源。采用SNP序列分析的方法确定候选基因的亲本表达。通过分析CpG位点的DNA甲基化状态，确认基因的印记表达调控机制。制作候选基因的小鼠模型，通过分析候选基因的表达谱及组织形态学变化，初步确认新印记基因的功能。通过开发新的生物信息学算法从全基因组尺度预测印记基因以及运用当前成熟的实验方法进行候选印记基因的鉴定, 有助于发现新的印记基因，丰富已有的印记基因库。本课题的成果对基因的表达调控、发育和表观遗传学等的研究具有十分重要的作用。

基因组印记是当前发育生物学领域的研究热点之一，与发育过程、遗传性疾病和肿瘤有着密切的联系。本项目利用高通量的遗传与表观遗传特征开发出有效的生物信息学方法（支持向量机和隐马模型）预测了小鼠全基因组的印记基因，并识别出父母本来源，在染色体上进行了定位。结合已有的印记基因的调控和功能研究，构建了一个哺乳动物的印记基因库-MetaImprint。对于预测的部分候选基因，通过实验确认了8个新的印记基因。包括lncRNA、miRNA和编码基因，都转录于母本染色体，并表现出一定的组织特异性，如QPCT和AQP1就是胎盘特异性的母本印记表达的基因。对于新印记基因，在不同的发育时期检测了它们的时空表达谱，并对部分的基因做了调控机制的研究。同时在miR-1188附近的两个CpG岛的甲基化分析，确认了一个新的等位特异性的差异甲基化区， CGI-2的差异甲基化模式是在受精后建立起来的。功能研究部分重点在miR-1188、QPCT和AQP1新鉴定的印记基因。明确了miR-1188在胚胎发育时期的动态变化，及各种癌症细胞内的表达情况；miR-1188通过直接靶向Smad3调控小鼠胚胎正常发育；阐明了miR-1188通过共同调控靶基因Bcl-2和Sp1的表达抑制肝癌细胞Hepa1-6的增殖和迁移的影响，证明了miR-1188具有肿瘤抑制功能特性，为该基因在癌症中的功能研究提供依据。QPCT的印记分析的结果表明QPCT是一个胎盘特异性印记表达的基因，ChIP结果在母本染色体检测出H3K4me3为单峰，表明H3K4me3组蛋白修饰能够调节Qpct的印记表达。同样是胎盘特异性印记表达的基因AQP1，母本缺失和全敲出时胚胎和胎盘的重量增加，迷路区增大。Aqp1基因的表达检测的结果，父本缺失时其表达水平与野生型一样。而母本缺失时，Aqp1的表达明显降低。Aqp1启动子区CpG位点在E15.5天在脑和舌组织呈现高甲基化水平，而肝组织的甲基化水平现对较低，结合组织定量表达数据，说明Aqp1启动子区CpG位点的DNA甲基化状态，可能对Aqp1的表达起到调控的作用。以上的结果丰富了已有的印记基因库，为后续进一步的功能研究打下了基础。在本项目的支持下，已发表SCI论文22篇，再投1篇，并培养了7名博士生。