基于高通量生物数据的微rna活性分析及代谢流量分析

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1、中国科学技术大学博士学位论文基于高通量生物数据的微RNA活性分析及代谢流量分析作者姓名：学科专业：导师姓名：完成时间：周宏计算机应用技术陈小平郑浩然二O一二年五月一日1孙彳UniversityofScienceandTechnologyofChinaAdissertationfordoctor’SdegreeMicroRNAActivityAnalysisandMetabolicFluxAnalysiswithHighThroughputDataAuthor’SName：HongZhouSpeciality：AppliedComputerTechnologySupervisor：

2、XiaopingChenandHaoranZhengFinishedtime：May1st，2012中国科学技术大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均己在论文中作了明确的说明。作者签名：盟签字日期：2删中国科学技术大学学位论文授权使用声明作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借

3、阅，可以将学位论文编入《中国学位论文全文数据库》等有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。保密的学位论文在解密后也遵守此规定。／口公开口保密(年)作者签名：签字日期：闭宕pJ2．∥．占导师签名：签字日期：埠摘要近年来，各种新的高通量实验技术的迅速发展以及大量高通量生物组学数据的积累为生命科学研究带来了新的机遇，使得我们可以从生命活动的不同角度和层面对生物系统进行全面的观察和研究。然而，大量的高通量组学数据在带来机遇的同时也为计算生物学研究者们带来了许多新的挑战。其中，既包括侧重数据分析层面的挑战，也

4、包括侧重高通量数据建模层面的挑战。围绕这些挑战，本文展开了相应的研究工作。第一方面的工作：基于基因表达数据的微RNA(microRNA)活性分析。MicroRNA是生物体内的一类非编码RNA分子，它是生物体实现转录后调控的重要机制，并且与许多疾病过程和重要的生物过程直接相关。而高通量生物组学数据对microRNA调控机制的研究具有重要的意义。本文利用高通量的基因芯片数据对microRNA调控mRNA降解的活性展开了研究。本文提出了一种microRNA活性评估方法mirAct。该方法使用了非参数化的方法，充分利用了单个样本内以及不同类样本问的基因表达信息，能够很好的处理样本数据很少

5、的情况。与现有的其他一些方法相比mirAct可以对多类样本数据进行分析，并且更加鲁棒，在面对低活性的microRNA以及高强度的噪声数据时有更具竞争力的表现。为了更好地服务microRNA研究者，基于mirAct本文实现了一个Web-F具。与之前的一些单机程序分析工具相比作为WebServer的mirAct具有更友好的用户接口，可以很直观地将结果展现给用户，并提供了一些后续的分析功能。本文使用包括mirAct在内的若干种microRNA活性评估工具，对多种不同组织、不同来源的mRNA和microRNA表达数据进行了分析，并得到结论：microRNA生物活性与其表达之间仅存在很弱的

6、相关性。这样的结果与直观感觉不同，揭示了microRNA与其靶基因之间存在相当复杂的调控机制。第=方面的工作：基于高通量生物数据的代谢流量分析。代谢系统是生命活动的基础，对代谢系统的研究不仅对工业生产具有促进作用，同时还具有重要的临床意义。而高通量实验技术的发展与高通量组学数据的积累使得人们有机会从一个新的层面对代谢系统进行研究。本文在利用高通量生物数据进行代谢流量分析方面开展了两部分工作：一是利用碳标记实验得到的质谱及核磁数据对微生物进行代谢流量分析；另一部分是结合蛋白质组学数据对高等生物进行代谢流量分析。基于碳标记实验的代谢流量分析(13CMFA)通过检测代谢物的同位素标记信

7、息对细胞内的代谢流量进行精确的定量分析，是分析微生物代谢系统的重摘要要工具。首先，为了保证13CMFA计算的可靠性，本文提出了一种对代谢网络模型进行自动化校验的方法，避免了费时费力的手工校验。之后，利用碳标记实验得到的质谱及核磁数据，本文对在氧化应激条件下大肠杆菌中心碳代谢系统的流量分配变化情况进行了系统的研究。通过13CMFA分析的结果，我们发现了一些大肠杆菌通过调整代谢流分配以应对氧化应激条件的机制。最后，本文提出了一种简单易行的方式将13CMFA与代谢流量平衡分析(FBA)