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我研究团队在《自然》子刊发表论文

发表时间:(2018-08-02)

      

  我校计算生物学中心研究团队,在早期创立的“功能作图”(functional mapping)理论基础上,进一步提出“博弈作图”新理论,有关研究成果发表在国际顶尖期刊《自然通讯》上,引起学术界广泛关注与好评。

 

 

  复杂性状是所有生物学与医学研究的最高端目标。长期以来,对复杂性状的基因解析工作一直是现代生物学最核心的研究内容之一,是人类揭示生命起源,人工改造、重塑、合成新型生命体的关键步骤。然而,虽然随着测序技术的发展,人们可以快速有效地获得与性状相关的大量基因组数据,但是如何设计出具有生物学意义的实验来解析这些数据,并从中提炼出生命总体运行规律一直是个难题。

  

  “功能作图”的基本思想是, 将复杂性状形成作为一个动态过程,利用反映生物生长发育的数学模型与基因定位相结合,从而勾画出性状形成的发育遗传动态图谱。这一方法在解析表型进化(phenotypic evolution)、表型可塑性(phenotypic plasticity)等重要进化、生态学问题方面有重要作用。

  

  

 

  研究人员将“功能作图”推进到“系统作图”(systems mapping)高度。他们将复杂性状当作一个动态系统,系统中各个不同组分相互作用、互相协调共同影响表型形成与发育。他们推导、组装微分方程组来量化各组分相互作用的方向、方式与强度,揭示基因如何参与这些组分之间的相互作用,勾画出生物性状进化的多层次、多阶段、多刻度基因调控网络。该研究得到国际知名统计遗传学家的评价和肯定(Physics of Life Reviews, 2015, https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1571064515000330)。

 

  

  在这篇新发表的研究中,研究人员将“系统作图”思想与群落生态学(community ecology)理论完美对接。性状就是一个“生态群落”(synecology),其中各组成性状就如同群落中的物种。像性状之间相互作用一样,群落中的各物种存在复杂的相互作用,这些作用被认为遵循社会经验法则(social rule of thumb)。研究人员利用Lotka-Volterra“捕食—被捕食”方程组描述物种之间的相互竞争、相互合作的关系。研究人员引入“博弈论”(game theory)来解释为什么同一物种对另一物种选择合作(cooperation),而对其他物种选择竞争(competition),并利用基因定位理论寻找制约这些关系的关键基因及其基因网络。

  

  

  研究人员利用微生物实验来验证他们的理论,发现两个不同细菌在共培养条件下的生长,与同一细胞在单培养条件下的生长存在明显差异,而这种差异就是表型可塑性, 是受基因所控制的。研究人员进一步利用博弈论解析共培养中两个细菌之间相互竞争与合作的方式与强度,发现共培中细菌的表型性状,不仅受细菌自身的基因所影响(直接作用, direct effect),还受互作细菌的基因所影响(间接作用, indirect effect),以及来自不同细菌的基因之间的交互作用所影响。研究人员发明”基因组-基因组上位互作”(genome-genome epistasis)概念, 来描述这些复杂的基因调控关系。研究发现,被传统模型所忽略的间接作用与基因组交互作用,能解释几乎一半的遗传力(heritability)。这一重要发现对于复杂性状遗传结构机理,提供了新的观点。

 

    

  论文第一作者是计算生物学中心讲师姜立波,微生物学科副教授何晓青、金一,以及计算生物中心讲师叶梅霞是共同第一作者。论文责任作者是邬荣领教授。本研究由中组部“千人计划”人才项目等资助。

  

  

  论文链接: https://www.nature.com/articles/s41467-018-05416-w(A23)

来源:计算生物学中心          作者:梁丹          浏览次数: