节律调控网络对通路转录活动中优化耗能的研究

Genome-wide transcriptomic profiling data have revealed that thousands of genes express circadian RNA rhythms. Although these cycling genes are enriched for metabolic pathways in the majority of tissues throughout the body, the selective pressures driving specific genes to be regulated and expressed in a cyclic manner remain unknown. Previously we found that synthetic cost play an important role in the regulation of cycling transcription activity at gene level. We conducted genome-wide synthetic cost analyses and found that the synthesis of cycling genes costs twice as much as non-cycling genes on average. Furthermore, our simulation experiments suggest that the cyclic expression of those ‘expensive’ genes minimizes the cost of gene expression in the system as a whole leading to a lower overall energy usage than expected. We provide experimental evidence for this tenet by conducting mRNA sequencing of yeast under varied metabolic cycling conditions. In this project, we will conduct genome-wide synthetic cost analyses at the pathway level, in order to investigate the high level influence of energetic cost on cycling behavior. The results may provide pathway level understanding of circadian related diseases, such as sleep disorders.

转录组学的研究表明细胞中上千个mRNA分子有周期性的转录活动，尽管人们发现这些分子倾向于跟代谢网络有关，但其背后的驱动的原因并不清楚。我们以前的研究发现这些mRNA分子转录过程中合成消耗的能量在其中起重要的作用。具体的计算结果显示节律性表达的mRNA分子平均消耗的能量是其他分子的两倍以上。进一步的模拟实验表明细胞通过节律性的调控这些高耗能的分子，可以有效的降低细胞整体在转录过程中的耗能。本课题将在此基础上做进一步的研究，我们将计算每条通路在节律性表达过程中能量的消耗情况，并且和非节律性表达的通路做比较。最后将集中在共表达网络水平上理解基因表达过程中共表达模块的能量消耗对节律性基因表达的影响。研究结果对节律有关的疾病治疗比如睡眠障碍有指导意义。

生物节律是生物个体适应环境改变,维持系统稳态的重要机制。生物体各个组织器官乃至单个细胞中都存在一套由核心节律基因组成的复杂,精密的负反馈调控网络.这是一个非常复杂的，多尺度的生物学现象。这种节律性在单细胞水平也是普遍存在的。在细胞水平，上千个基因节律性表达，呈现出器官特异性和物种特异性特征。尽管生物节律的核心基因已经被研究的比较清楚，比如小鼠中是由BMAL，CLOCK，PER，CRY等基因组成，但其外在调控网络的机理和遵循的原则还不清楚。在这个项目中我们利用系统生物学大数据分析的方法，研究了节律表达调控的几千个基因遵循的模式。在这里我们用小鼠12个器官的节律性表达数据，发现它们的表达水平在这些器官里可以解释70％以上振幅变化的差异。我们还进一步证明功能和组织特异性不是一个很强的预测因素。这种单一因素对节律基因行为的主导性影响让我们评估了基因节律性表达本身对转录系统设计的意义。我们认为对高表达基因的强的节律性调控功能可以降低其在转录表达中使用的合成能量，对于节律系统长期的适应性进化有着重要的意义。