基于大数据生物学原理和方法筛选大鼠肝再生关键基因及其作用分析.pdf

摘要

肝脏有很强再生能力，当受到损伤后，静止的肝细胞迅速转变为生长状态，开始增

殖，直至恢复其原有的形态和组织功能，这个过程称为肝再生(liverregeneration，LR)，

这是一个复杂而有序的生理活动过程，通常分为启动、进展和终止三个阶段。以大鼠部

分肝切除（partialhepatectomy，PH）诱导的肝再生为例，在肝再生启动阶段，即PH后

0-6h，在反馈刺激信号的作用下，残肝会发生炎症反应、细胞去分化、细胞凋亡等生理

活动，同时肝细胞从G0期进入G1期。在进展阶段，即PH后6-72h，肝细胞一般需要

经历两次细胞周期循环，以补偿丢失的细胞。在终止阶段，即PH后72-168h，肝细胞

停止增殖，再生肝主要进行细胞分化、细胞凋亡、肝组织结构功能重建，恢复正常肝的

体积和功能等。研究表明，肝再生过程受TNF、TGF-β等生长因子、转录因子、非编码

RNA等在内的许多因素调控，尤其与基因的转录变化密切相关。

本文以大鼠部分肝切除（partialhepatectomy，PH）诱导的肝再生为对象，以生物高

通量检测数据为基础，借助大数据生物学的原理和方法，从基因转录水平探讨大鼠肝再

生机理。其中，用基因芯片RatGenome2302.0大规模定量检测大鼠肝再生中肝组织

mRNA的信号值，得到13927种已知mRNA的信号值。分别用对照肝组织的mRNA信

号值除实验组，实验组的每种mRNA得到9个ratio值。用t检验这些ratio值与对照的

差异性表明，大鼠部分肝切除（partialhepatectomy，PH）组表达差异值≤0.05的基因有

13497种，称为“差异基因”。包括4098种ratio值≥2的差异基因,称为“上调基因”。

2460种ratio值≤0.5的差异基因，称为“下调基因”。1991种ratio值在肝再生的有的时

间点≥2，有的时间点≤0.5的差异基因，称为“上/下调基因”。上述基因总计8549种，

均称为“PH组相关基因”。大鼠假手术（shamoperation，SO）组的差异基因13255种。

包括2372种上调基因，1858种下调基因，1586种上/下调基因，总计5816种“SO组相

关基因”。排除SO对PH诱导的肝再生影响后，肝再生组的差异基因13327种。包括

4610种上调基因，2462种下调基因，628种上/下调基因，总计7700种“肝再生相关基

因”。

本文基于大数据生物学的原理和方法建立了“要素累加法”，用于分析基因表达变

化的生物学意义。该方法将大鼠肝再生中有意义表达、差异表达、出现概率等视为反映

基因作用的“要素”。将有意义表达的差异基因视为“肝再生相关基因”，将在整个肝再

生中，即PH后2、6、12、24、30、36、72、120、168h等9个时间点均有意义表达的

差异基因视为“肝再生关键基因”。用该方法分析基因表达变化与大鼠肝再生的相关性

发现，7700种基因为大鼠肝再生相关基因，121种基因为大鼠肝再生关键基因。其中，

大鼠肝再生相关基因包括：4610种上调基因、2462种下调基因，628种上/下调基因。

大鼠肝再生关键基因包括：54种上调基因，67种下调基因。进一步用IPA等软件和NCBI

等数据库分析这些关键基因转录变化与大鼠肝再生的相关性发现，它们的转录变化与大

鼠肝再生涉及的生理活动变化正相关，表明“要素累加法”有应用价值，关键基因在大

鼠肝再生中起重要作用。本论文的方法和结果为用大数据生物学原理和方法探讨大鼠肝

再生机理的提供初步资料，有一定的再生生物学和再生医学意义。

关键词：大鼠肝再生，生物高通量检测，大数据生物学，“要素累加法”，关键基因

ABSTACT

Theliverhasastrongregenerativecapacity,afterbeinginjured,thestationaryhepatocytes

quicklychangeintoagrowingstateandbegintoproliferateuntiltheiroriginalmorphologyand

tissuefunctionarerestor