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关键词： 脑影像遗传学   阿尔兹海默症   多变量分析   关联分析  

摘要： 脑影像遗传学是脑科学中集遗传因素和神经影像表型测量于一体的新兴重要课题。这种结合多种遗传学和基因组学数据的整合研究有望揭示大脑结构和功能的遗传基础,并进一步为解释遗传变异与阿尔茨海默症(AD)等脑部疾病之间的因果关系提供新的机会。现代神经影像技术从不同的角度对大脑进行了描述,如测量大脑形态的磁共振成像和,对大脑的代谢过程进行成像的正电子发射断层扫描。这些多模态影像数据可以用来全面了解大脑的结构和功能。此外,在生物医学研究中,拥有着巨大的基因分型生物标记,如单核苷酸多态性(SNP)等。然而,如何集成多模态影像学数据来开发快速高效的影像遗传学关联分析方法是目前脑影像遗传学急需解决的问题。因此本文从精准挖掘多模态脑影像间的融合信息,准确识别与疾病相关的SNPs和感兴趣脑区,以及探索AD复杂遗传机制为目标,对传统的关联分析模型进行改进和优化,具体内容如下: (1)针对多视图关联分析方法无法识别受试者间的高阶关联,以及无法深度探索大脑的网络结构等问题,提出了基于高阶感知的自适应稀疏多视图典型相关分析模型(HERSMCCA,HEUSMCCA)。该方法综合考虑不同受试者之间的相互依赖性、受试者间和受试者内的高阶关联以及大脑网络结构,进行深度关联分析。最后在阿尔茨海默病神经影像倡议数据集(ADNI)上识别出了更多和更深层次与AD相关的生物标志物和感兴趣脑区。 (2)针对多任务稀疏典型相关分析(MTSCCA)缺乏识别类特异性特征和深入探索复杂遗传机制的能力等问题,提出了一种基于类特异性和参数分解的MTSCCA方法(LDMTSCCA)。具体而言,LDMTSCCA通过稀疏线性判别分析获得与疾病密切相关的遗传信息,并通过参数分解充分了解遗传位点的不同表达特征。与此同时,LDMTSCCA联合考虑疾病状态、参数分解和网络连接约束,进行多位点信息和多模态脑影像表型关联分析。最后将该方法应用到ADNI识别不同水平的生物标志物。 (3)针对传统机器学习仅使用一种简单的策略来联合学习表型和基因型特征而不能有效地考虑模态之间的互补信息,将导致大量有价值信息的丢失,从而降低了影像遗传学模型的可靠性等问题,提出了基于多模态自适应融合的深度生成判别框架(DMAAN)。该框架包括四个关键模块,每个模块都具有独特的功能。首先,多模态融合模块将不同模态传递的互补信息进行融合。表达模块重点提取SNP特征,结合人口统计信息,增加遗传信息的丰富度。关联分析模块探索潜在的遗传表征,并分析大脑表型和遗传数据之间的复杂关联。最后,诊断模块利用关联信息进行AD诊断和认知评分预测,同时建立基于框架生成机制的可解释方法,从多个角度探讨遗传机制,开辟从微观到宏观研究的新途径。 本文中提出的方法都在ADNI数据上进行关联分析实验,实验结果表明,本文所提出的方法克服了经典方法的局限性,能够识别到有价值的生物标记物,具有更好的综合性能,说明改进是有意义的。

关键词： 水族   群体遗传学   壮侗语系   祖先信息位点   单核苷酸多态性  

摘要： 目的: 基于全基因组芯片分型技术解析贵州四个水族群体的遗传结构和混合历史,在此基础上整合贵州壮侗、苗瑶和阿尔泰语系群体数据,进行祖先信息位点筛选,以期为贵州不同民族刑事案件侦破提供调查线索。 方法: 收集贵州四个地区共89例水族无关个体的唾液样本,提取DNA,进行基因芯片分型、质控,去除三代以内亲缘个体,与人类起源数据集（Human Origin,HO）、1240K数据集和已经发表的参考群体数据集合并。主成分分析（Principal Component Analysis,PCA）和ADMIXTURE分析探讨贵州四个水族与东亚古今参考群体之间的遗传关系和祖先成分;成对Fst分析探讨水族与东亚参考群体之间的亲缘关系;f3/f4统计探讨研究群体与参考群体之间的共享遗传漂变、混合历史、亲缘关系以及群体内部遗传亚结构;Tree Mix分析探讨四个水族与邻近参考群体之间的拓扑关系;成对qpWave检验进一步分析研究群体内部遗传亚结构,qpAdm分析研究群体祖先混合比例;最后,基于等位基因频率和共享单倍群,分别用ALDER和GLOBETROTTER估计四个水族遗传混合时间,fine STRUCTURE解析其精细遗传结构。 整合壮侗语系、苗瑶语系和阿尔泰语系群体共454个个体进行祖先信息SNP（Ancestry Information SNP,AISNPs）位点筛选。基于罗森博格的In统计值,筛选不同位点集合的祖先信息SNP标记,用smart PCA对不同位点集合进行主成分分析,Snipper软件确定最佳AISNPs,ADMIXTURE软件进行祖先成分分析。最后,用随机森林验证最佳AISNPs位点集合的准确性;基于Snipper软件,用5个测试群体中的122个个体再次验证最佳位点集合的祖先分辨能力。 结果: PCA、成对Fst、TreeMix分析显示,贵州四个水族群体与地理位置邻近的壮侗语群体、苗瑶语群体和南岛语群体聚类。此外,也与部分古代参考群体,如台湾铁器时期汉本、公馆遗址个体,广西历史时期巴板琴岑和高华化遗址个体等具有较近的遗传亲缘关系。ADMIXTURE分析显示,贵州四个水族群体主要有四种祖先成分,邻近的壮侗语群体与该研究群体共享相似的祖先成分。同质性f4分析和成对qpWave检验表明,贵州四个水族群体不存在遗传亚结构。在祖先混合模拟中,贵州四个水族群体主要由33.5%～37.9%黄河流域粟黍农业人群和62.1%～66.5%华南地区相关祖先人群混合而成。ALDER的混合时间估计表明,贵州四个水族群体在300～2200年前受到了汉藏语群体的遗传影响;在GLOBETROTTER分析中,检测到了壮侗语群体和苗瑶语群体相关祖先人群的混合信号,混合事件发生的时间可追溯到8～16代之前。基于共享单倍群的fine STRUCTURE结果显示,研究群体与邻近壮侗语群体,特别是先前发表的贵州三都水族具有较近的遗传亲缘关系。 成功筛选出62个AISNPs位点,PCA和ADMIXTURE分析表明,62 AISNPs能将贵州壮侗、苗瑶和阿尔泰语系群体分为三类。随机森林效能验证结果显示,62AISNPs的祖先推断准确性超90%;用5个群体的122个个体作为测试集对其进行效能验证,结果显示测试集中大多数个体（75%～100%）都能被准确分配到其相应的源群体,仅有一小部分个体（0～25%）被错误地分配到了另外两个语系群体。 结论: （1）贵州四个水族群体具有遗传同质性,其与东亚南方的壮侗语群体遗传关系最近;四个水族群体可以被模拟为黄河流域粟黍农业人群（33.5%～37.9%）和华南相关祖先人群（62.1%～66.5%）的混合。 （2）成功筛选出62个AISNPs位点集合,能有效区分贵州壮侗、苗瑶和阿尔泰语系群体,且祖先推断准确性达90%以上。

关键词： 动物运动脑控   光遗传学技术   电刺激   信鸽  

摘要： 在生物进化的数十亿年历程中,形成了受神经与肌肉系统协调控制的复杂且多样化的运动方式,神经科学与生物工程领域的研究者深入探索此调控机制,以期实现动物行为的人为调控。随着对神经科学认知的深化,神经调控技术取得迅猛发展,电、化学、光、磁等多种刺激手段不断涌现并广泛应用。新技术的开发便捷了解码与控制动物运动行为,有力推动了神经调控技术在动物机器人开发领域的发展,展现出动物机器人设计与应用的广阔前景。 本文以信鸽为实验动物,采用电刺激信鸽运动回路诱导运动为理论基础,通过光遗传学神经调控技术,探究光刺激信鸽运动行为的人为调控。首先利用电刺激定位信鸽脑内运动相关神经核团（区）的空间分布;制定信鸽光遗传学神经调控技术方案,选择腺相关病毒载体介导基因转移的方式将特定的光敏通道蛋白靶向至信鸽运动相关神经元,通过特定光刺激诱导信鸽鸣叫、行走或左/右转向等行为动作,为光遗传学技术在鸟类中的应用以及构建基于光刺激模式的动物机器人提供技术支撑。 定量电刺激对运动行为的影响。利用电刺激神经调控技术构建信鸽机器人,通过调节电压强度（1.2～2.4 V）的方法,量化分析电刺激诱发信鸽转向运动中各参数的变化,为信鸽机器人动作编码提供了有效参考。对信鸽运动过程角速度与转弯半径进行分析,结果显示电压强度的变化对二者均有显著影响（P<0.05）。角速度的变化范围介于33.11至184.35 deg/s之间,其最大值相比最小值的增幅达4.6倍。同时,转弯半径从21.30 cm缩减至8.60 cm,最小值相比最大值减少了59.62%。当电压强度超过1.8 V后,其变化对信鸽的运动路程及平均速度的影响并不显著（P>0.05）,在3 s的刺激时间内,总路程约为76.55 cm,平均速度为35.64 cm/s。根据实验结果,中脑内侧网状结构（FRM）主要承担调控身体转动的功能,而对运动速度的影响则相对较小。 光敏感信鸽造模与光刺激平台搭建。根据信鸽运动回路脑区神经元的特性,选用合适的光敏通道蛋白(Ch R2（H134R）),并通过腺相关病毒载体（AAV1）介导的方法,成功将光敏通道蛋白基因转移到目标神经元。实验发现,当单个脑区病毒注射量为2μL时,平均病毒转染周期为10周,病毒转染面积约为2.2～2.7 mm。基于光敏蛋白的物理特性,利用激光器（465 nm蓝光光源）、函数信号发生器、光纤跳线以及光纤插芯针等组件搭建光刺激平台。设计并验证光遗传学调控技术在光敏信鸽体内的具体应用方案。光刺激诱导浅麻醉状态下光敏信鸽出现左右倾斜以及蹬腿等行为。在信鸽清醒状态下,通过脉冲光刺激成功诱导信鸽转向行为,对比电刺激实验,证实光遗传学神经调控技术可调控信鸽运动行为,为光遗传学在信鸽动物机器人领域的应用提供了实践基础。 本研究对动物机器人的电刺激神经调控机制进行深入解析,通过融合光遗传学技术,对调控方法进行了优化,为动物机器人的开发提供了新的思路。

关键词： 黄热病毒17D   反向遗传学   宿主适应性   3′UTR   茎环结构  

摘要： 黄热病（Yellow Fever,YF）是由黄热病毒（Yellow Fever Virus,YFV）引起的急性传染病。其减毒疫苗株YFV17D由野生型Asibi毒株通过在恒河猴、小鼠和鸡胚中连续176次传代致弱获得,该毒株在保留了免疫原性的同时,完全丧失了噬内脏性和噬神经性毒力。蚊媒黄病毒（Mosquito Borne Flavivirus,MBFV）的3′非编码区（Untranslated Region,UTR）的结构保守,其二级结构在参与调节病毒复制和翻译以外,还涉及病毒的宿主适应性调控。自然条件下,YFV主要感染灵长类动物,而同属MBFV的坦布苏病毒（Tembusu Virus,TMUV）主要感染鸟类。这两种病毒在3′UTR中的茎环结构（Stem-loop Structure,SL）上存在明显差异。所以,本研究以鸭胚成纤维细胞（Duck Embryo Fibroblast,DEF）作为宿主细胞模型,YFV17D反向遗传学平台为研究工具,探讨3′UTR在TMUV特异性感染禽类细胞过程中发挥的作用。 1.搭建YFV17D反向遗传学平台 （1）YFV17D复制子:在BHK-21中,与复制缺陷型复制子相比,野生型复制子Nluc活性、oxGFP、mCherry荧光蛋白表达以及双链RNA（Double-stranded RNA,dsRNA）随转染时间延长而增多,而复制缺陷型复制子在细胞内完成首轮翻译后Nluc活性不再增加。在DEF细胞、鸡肝癌细胞（Leghorn Male Hepatoma,LMH）和鸡巨噬细胞（HD11 Chicken Macrophages,HD11）中检测到相似的Nluc活性变化。以上结果表明,成功构建YFV17D复制子并验证其可以在BHK-21和多种禽源细胞系中翻译和复制。（2）YFV17D反式假病毒包装系统:将以上3种YFV17D复制子质粒分别与包装质粒共同转染至BHK-21细胞后而成功构建了YFV17D反式假病毒包装系统。（3）YFV17D全长cDNA感染性克隆:感染性克隆质粒转染BHK-21细胞后三天出现细胞病变（Cytopathic Effect,CPE）,IFA检测到胞质中荧光信号,证明病毒拯救成功。感染rYFV17D的BHK-21细胞能产生病毒噬斑。生长曲线和基因组拷贝数的结果显示,rYFV17D能在BHK-21、DEF、鸡胚成纤维细胞（DF-1 Chicken Embryo Fibroblast,DF-1）和人肾上皮细胞（Human Embryonic Kidney 293T,HEK293T）中增殖。禽胚毒力试验结果显示,rYFV17D在10～4 TCID50感染量下,在10天内对鸡胚的致死率达到100%,高于鸭胚。以上表明,本研究成功构建YFV17D全长cDNA感染性克隆并拯救出病毒。 *** 3′UTR对YFV17D在DEF细胞中适应性的影响 MBFV 3′UTR主要由3种包含保守RNA二级结构的结构域（domain Ⅰ、domain Ⅱ和domain Ⅲ）组成,其中,YFV17D的domain Ⅰ结构域中只包含1个SL,而TMUV包含4个SL结构。为了探讨TMUV 3′UTR对YFV17D在禽源宿主细胞敏感性的调控作用,本研究构建了嵌合TMUV 3′UTR的YFV17D复制子,命名为YFV17D-TMUV 3′UTR-rep和YFV17D-TMUV domain Ⅰ+Ⅱ-rep。检测Nluc萤光素酶活性发现,TMUV的3′UTR不能维持YFV17D基因组的RNA复制,推测其原因是基因组无法形成环化。 考虑到TMUV 3′UTR domain Ⅰ结构域中的SL结构与YFV17D的差异,同时为探讨TMUV domain Ⅰ结构域及其包含的特殊SL1和SL3结构对YFV17D在DEF细胞中适应性的调控作用,本研究进一步在YFV17D感染性克隆骨架上构建一系列嵌合病毒感染性克隆,命名为YFV17D-TMUV domain Ⅰ、TMUV-YFV17D domain Ⅰ、YFV17D-TMUV SL1、YFV17D-TMUV SL3、YFV17D-TMUV SL1+3。测定生长曲线发现,在DEF细胞中TMUV domain Ⅰ结构域的替换可促进YFV17D在DEF细胞中增殖,在48h到达最大病毒滴度,比亲本毒提前24h;TMUV SL1结构引入只维持了YFV17D的增殖水平,而TMUV SL3结构的引入能使病毒增殖时间提前;TMUV SL1+3结构引入同样在48h到达最大病毒滴度,并在48h内病毒滴度高于亲本毒。这些结果表明,TMUV domain Ⅰ结构域中的SL3结构在帮助YFV17D适应DEF细胞过程中发挥了重要作用。 综上所述,本研究首先系统性搭建了YFV17D基因组的反向遗

关键词： 高通量测序   基因组学   群体遗传学   多核苷酸变异   全基因组关联研究   性状与疾病  

摘要： 大量研究表明遗传变异在生长发育和疾病中扮演着重要的角色。目前已发现了许多单核苷酸变异(Single nucleotide variant,SNV)与遗传疾病、治疗药效和疾病预后等有重要关系。然而这些SNV仅能解释许多疾病和性状中的一部分遗传力,仍有大量“缺失的遗传力”有待挖掘,这表明其他类型的遗传变异也有可能在疾病中发挥着重要作用。多核苷酸变异(Multi-nucleotide variants,MNVs)是指基因组中位于同一单倍型上的距离相近的多个SNVs所组成的遗传变异。与传统的SNV相比,MNVs对基因的影响通常表现出更严重的致害性。然而,目前人类基因组内的MNVs鉴定并不充分,存在着大量MNVs未被发现;同时,尚未有基于MNVs开展的全基因组关联研究(Genome-Wide Association Studies,GWAS),疾病或性状相关的MNVs未被深度挖掘。因此,本研究对人类MNVs展开了以下两部分研究: (1)利用大型队列进行MNVs系统鉴定、注释及数据库构建。既往研究表明,不同群体遗传变异的分布和功能存在显著差异。目前人类MNVs鉴定主要以欧美人群为主,对其他人群关注较少,有可能存在大量的MNVs未被发现。因此,我们希望通过对不同人群MNVs展开系统性鉴定和注释,建立一个最全的人类MNVs数据平台。首先,通过对人类MNVs进行系统鉴定,从千人基因组、gnom AD(WES)、gnom AD(WGS)、GTEx、TCGA、UK Biobank(WES)和UK Biobank(Array)七个大型人类队列中共获得8,209,126个非冗余的MNVs。基因组位置注释显示这些MNVs绝大部分位于非编码区域,仅有0.9%的MNVs位于基因组外显子区域。其次,通过分析不同人群中的MNVs,我们发现不同人群之间的MNVs的差异较大,千人基因组各个人群中独有的MNVs占总数量的56.9%,并且还发现MNVs有助于揭示各个人群之间的群体相关性。在低连体MNVs中,由SNV累计突变所产生的MNVs占据主要部分,并且在2连体MNVs中,发生两碱基转换的MNVs数量要远多于其它两种碱基突变类型,发生两碱基颠换的MNVs数量最少。最后,利用所有鉴定到的MNVs构建了人类MNVs数据库,该数据库提供了人类MNVs在线查询、鉴定以及下载等功能。 (2)利用UK Biobank大型人群队列系统开展GWAS研究。GWAS作为目前最常用且高效的基因-性状关联方法,已经成功地应用SNV挖掘了大量性状及表型关联位点。然而,目前尚未有基于MNVs开展的GWAS研究。因此,本研究利用UK Biobank队列数据,分别从全基因组分析了人类MNVs与数量性状(身高)和质量性状(癌症)之间的关联。首先,以MNVs为基因型,人类身高为表型,纳入性别等混杂因素,利用GCTA fast GWA混合型线性模型开展了MNVs GWAS分析,共发现了70个与身高显著关联的MNVs,其中10个为本研究新发现的身高易感遗传变异。通过基因注释发现这些MNVs共落在20个蛋白质编码基因上,其中LCORL、SLC38A9、C6orf106、KCNQ1、ADAMTSL3和ACAN被报道与人类生长发育有关。进一步分析发现人类身高显著关联的基因被显著富集在生长发育等重要信号通路。随后,通过分别对UK Biobank中11种样本量最大的癌症进行了MNVs GWAS分析,一共发现了267个显著关联的MNVs位点,共落在72个蛋白质编码基因上,其中有14个基因尚未被报道与癌症易感相关。进一步整合癌症患者MNVs基因型和预后信息,发现癌症易感MNVs中有38个和患者预后显著相关。 综上,本研究系统鉴定了不同人群MNVs图谱,构建了H-MNVsdb数据库,这项工作为人类遗传研究提供了一个重要的数据资源;其次,不同人群MNVs及其突变特征的分析为探究人群的分化提供了新的视角;最后,基于MNVs的GWAS研究发现了新的性状和疾病候选位点,这将为遗传变异解析个体表型提供一条新的思路。

关键词： 阑尾黏液性肿瘤   临床病理特征   高通量测序   基因变异   KRAS   GNAS  

摘要： 目的:分析阑尾黏液性肿瘤(appendiceal mucinous neoplasms,AMNs)的临床病理及分子遗传学改变,比较低级别阑尾黏液性肿瘤(low grade appendiceal mucinous neoplasm,LAMN)与高级别阑尾黏液性肿瘤(high grade appendiceal mucinous neoplasm,HAMN)的差异性。观察AMNs中KRAS和GNAS蛋白的表达与临床病理特征及预后的关系。 方法:回顾性分析2015年1月至2021年9月于西南医科大学附属医院就诊并经病理确诊为AMNs的32例患者的临床及病理资料。通过下一代测序(Next Generation Sequencing,NGS)的方法检测5例LAMN和5例HAMN患者的基因变异。使用免疫组织化学检测KRAS和GNAS蛋白在32例AMNs中的表达情况。 结果:AMNs以女性多见(68.8%),LAMN女性为17例(63%),HAMN5例均为女性(100%)。AMNs 60岁以上患者比例更高(68.8%)。AMNs主要临床症状为腹痛及腹胀,约26%的LAMN患者同时合并了肠套叠。大部分患者(69.2%)出现术前消化道肿瘤标志物阳性,以CEA、CA199、CA724和CA242更多见。AMNs伴腹膜假黏液瘤(pseudomyxoma peritonei,PMP)的患者其死亡率(33.3%)较不伴PMP患者的死亡率(9.1%)高。HAMN患者出现临床晚期、种植转移、复发及死亡的比例比LAMN患者高。AMNs的突变基因主要为KRAS、GNAS、BRAF,其中所有病例均出现KRAS基因突变(100%),突变位点为G12V和G12D。GNAS基因突变位点为R201C和R201H。HAMN中GNAS基因突变率(3/5,60%)高于LAMN(1/5,20%),且在LAMN患者中,出现GNAS突变的患者其临床分期为晚期。BRAF基因突变比例为20%(2/10),具有该基因突变的患者预后不佳。AMNs中检测出较多与MAPK通路有关的基因,如KRAS、ARAF、DOT1L、FAT1、AXL基因。AMNs患者普遍存在MTHFR rs1801133和NQO1 rs1800566基因多态性。NQO1 rs1800566在LAMN患者比例高达100%,HAMN中的比例相对较低(40%)。LAMN和HAMN患者的肿瘤突变负荷(Tumor mutation burden,TMB)均较低,无显著性差异。AMNs患者肿瘤组织中KRAS和GNAS蛋白的表达水平较癌旁组织显著增高。KRAS蛋白高表达与患者p T分期以及临床分期正相关,KRAS蛋白高表达的患者有25%出现复发或死亡(5/20),而KRAS低表达的患者中无复发或死亡(0/8)。AMNs伴PMP的患者,GNAS蛋白均为高表达(7/7),比不伴PMP的患者(21/25)的比例略高。GNAS蛋白高表达的患者有20%出现复发或死亡(5/25),而GNAS低表达的患者中无复发或死亡(0/3)。 结论: 1.该研究发现AMNs突变基因主要为KRAS、GNAS,基因多态性主要发生在MTHFR rs1801133和NQO1 rs1800566。 ***患者肿瘤组织中KRAS和GNAS蛋白的表达水平较癌旁组织显著增高。