基本信息
- 项目名称：
- 阿尔茨海默症相关miRNA与小分子关联的识别与网络平台构建
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 生命科学
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- miRNA是一种长约22个核苷酸的内源性非编码小分子RNA，能够调节细胞发育、分化、增殖等多种生物学过程，其在阿尔茨海默症的发生、发展中发挥着重要作用。本课题旨在提出一种新颖的高通量生物信息学方法，通过比较阿尔茨海默症中miRNA调控的转录反应和药物干扰前后的差异表达基因的相似性，识别在阿尔茨海默症相关的miRNA与生物活性小分子之间的关联网络，并构建便捷、全面的网络信息查询平台。
- 详细介绍：
- 一、研究目的 阿尔茨海默症（Alzheimer’s Disease，AD），是一种以进行性认知障碍和记忆力损害为主的中枢神经系统退行性疾病，患者丧失生活自理能力，给家庭和社会带来沉重负担。然而，由于阿尔茨海默症发病机制的复杂性，目前关于它的药物治疗仍然受到组织、细胞特异性以及药物耐药性等问题的困扰。目前，相关的研究已经证实：miRNA在阿尔茨海默症的发生过程中具有至关重要的调节作用。 因此，本研究识别阿尔茨海默症中miRNA和小分子之间的关联关系，为阿尔茨海默症药物靶点的确定、候选药物的筛选以及个性化给药提供一条崭新的途径。针对目前研究中缺少高效的计算方法和分析工具的局限，本课题将致力于发展一种新颖的生物信息学方法用以高通量识别生物活性小分子与miRNA的关联关系，并提出一种针对小分子的网络功能分析策略，从而进行信息的深度发掘，预测候选药物。基于大量的生物活性小分子干扰的基因芯片数据、阿尔茨海默症中的差异表达基因以及miRNA的靶基因信息，通过计算小分子干扰的转录反应和阿尔茨海默症中miRNA调控的转录反应之间的相似性，识别阿尔茨海默症中小分子与miRNA的关联关系，并将实验所得到的结果整合成“阿尔茨海默症相关miRNA与小分子关联”网络信息平台，为相关领域的研究人员提供包括阿尔茨海默症相关miRNA、基因、小分子以及miRNA与基因之间的调控关系、miRNA与小分子之间的关联在内的信息查询服务，并最终预测出候选的新型miRNA生物药物和药物作用靶点，识别新的可能具有治疗阿尔茨海默症作用的小分子化合物以及已知药物新的临床应用。因此，本项目的完成将极大地加快miRNA相关药物的研发，同时也将对阿尔茨海默症患者的个性化医疗提供重要的参考和帮助。 二、基本思路及创新点： 首先对阿尔茨海默症相关基因芯片数据进行预处理及标准化。然后运用合适的Meta分析，从标准化的实验数据中识别一致差异表达的基因以及miRNA。整合多个常用的miRNA靶基因预测算法的结果，获得可信度较高的miRNA靶基因信息，并确定出阿尔茨海默症相关miRNA的差异表达靶基因。利用Connectivity Map技术，计算每一个阿尔茨海默症相关miRNA的差异表达靶基因与所有生物活性小分子干扰前后的转录反应（即受miRNA调控的且在阿尔茨海默症与正常样本中差异表达的靶基因）的相似性。依据计算得到的相似性来确定出阿尔茨海默症中小分子与miRNA的关联关系，构建阿尔茨海默症中小分子-miRNA关联网络，并通过功能拓扑学分析确定阿尔茨海默症新的候选miRNA药物靶点以及新的药物靶miRNA。此外，为了更好的将研究成果应用到实际当中，我们运用生物医学软件工程的开发技术，将得到的实验结果、实验数据、主要技术指标整合成“阿尔茨海默症相关miRNA与小分子关联”网络信息平台。 如果化学小分子干扰前后的转录反应（即化学小分子干扰前后的差异表达基因）和阿尔茨海默症相关miRNA调控的转录反应（即受miRNA调控的且在阿尔茨 海默症与正常样本中差异表达的靶基因）相似，那么该化学小分子和该miRNA在阿尔茨海默症中很可能存在生物学上的关联。根据这种思想并基于大量的化学小分子干扰的基因芯片数据、多种阿尔茨海默症的差异表达基因以及miRNA的靶基因信息，我们计算每一个阿尔茨海默症相关miRNA的差异表达靶基因与所有化学小分子干扰前后的转录反应的相似性，从而识别阿尔茨海默症中化学小分子与miRNA的关联关系，并构建阿尔茨海默症特异的化学小分子-miRNA关联网络。 如实验技术路线图所示。首先，对之前获取的实验数据进行预处理及标准化。然后运用合适的Meta-analysis，从标准化后的实验数据中识别差异表达的基因以及miRNA。再从多个权威的miRNA靶基因数据库中整合全面而可靠的miRNA靶基因信息，从中筛选出可靠的差异表达的miRNA靶基因。最终，通过Connectivity Map技术，计算每一个阿尔茨海默症相关miRNA的差异表达靶基因与所有化学小分子干扰前后的转录反应（即受miRNA调控的且在阿尔茨海默症与正常样本中差异表达的靶基因）的相似性。依据计算得到的相似性来确定出阿尔茨海默症中小分子与miRNA的关联关系，构建阿尔茨海默症中化学小分子-miRNA关联网络，并通过网络拓扑学分析确定针对于阿尔茨海默症的新的候选miRNA药物靶点以及新的候选药物。此外，为了更好的将研究成果应用到实际当中，我们运用生物医学软件工程的开发技术，将得到的实验结果、实验数据、主要技术指标整合成“阿尔茨海默症相关miRNA与小分子关联”网络信息平台。 将研究得到的实验结果、实验数据、主要技术指标整合成“阿尔茨海默症相关miRNA与小分子关联”网络信息平台。为治疗阿尔茨海默症的药物研发人员提供了一个界面友好、操作简便的网络信息查询工具。 我们使用JSP（Java Server Pages）技术开发网络信息查询平台，JSP技术是目前Web开发技术中应用最广泛的动态网页技术之一，具备了Java语言所有的优点，同时拥有强大的服务器端动态网页技术功能。与此同时，为了编写和调试JSP程序，还需要建立一个适合于JSP的运行和开发环境。我们选用的是Tomcat和MySQL的开发环境组合，其中Tomcat是适用于远程网络的免费的Web应用服务器，而MySQL则是对系统的要求很低的免费的数据库服务器，Tomcat和MySQL的组合是JSP运行的最佳环境。并且，为了满足用户的需要，我们还添加了可视化的功能，运用JGraph技术及Graphviz的技术，用户可以将搜索得到的结果生成图像展示出来。 该平台由五大功能模块构成，包括：首页，信息查询，数据下载，方法介绍以及帮助。平台的组织结构如图2所示，其中信息查询模块提供了包括阿尔茨海默症相关miRNA、基因、小分子药物的基本信息，相互关联信息在内的信息查询服务；而数据下载模块则将实验结果、实验数据、主要技术指标集合到数据库之中，支持本地化操作，满足用户的下载需求；方法介绍模块则将本研究的具体方法、主要技术指标、相关生物信息网站的链接详细地罗列出来，供相关的研究人员使用。用户可以对我们所提出的方法稍加改动，运用到其他复杂疾病的研究当中。 三、作品的创新点： 1.利用Meta分析整合多套阿尔茨海默症相关的基因芯片数据，识别阿尔茨海默症相关的一致差异表达基因。 2.整合多个miRNA靶基因预测算法的结果，获得可信度较高的miRNA靶基因信息。 3.提出一种新颖的高通量生物信息学算法，识别阿尔茨海默症中miRNA与小分子之间的生物学关联。 4.构建全面的、用户友好的“阿尔茨海默症相关miRNA与小分子关联”网络信息平台。 四、作品的科学性、先进性和实用性 1.科学性： 如果生物活性小分子干扰前后的转录反应（即小分子干扰前后的差异表达基因）和阿尔茨海默症相关miRNA调控的转录反应（即受miRNA调控的且在阿尔茨海默症与正常样本中差异表达的靶基因）相似，那么该小分子和该miRNA在阿尔茨海默症中很可能存在生物学上的关联。根据这种思想并基于大量的生物活性小分子干扰的基因芯片数据、多种阿尔茨海默症的差异表达基因以及miRNA的靶基因信息，本研究计算每一个阿尔茨海默症相关miRNA的差异表达靶基因与所有小分子干扰前后的转录反应的相似性，从而识别阿尔茨海默症中小分子与miRNA的关联关系。为了使获得的与阿尔茨海默症相关的差异表达的miRNA和基因具有较高的可靠性，我们运用Meta分析处理从GEO数据库中检索得到的高通量的数据。其中Meta分析是一种有效的，可以整合多套基因表达数据集信息的，筛选差异表达基因的方法。同时，为了识别可靠的miRNA靶基因，我们整合了七个国际上权威的miRNA靶基因数据库所提供的miRNA靶基因信息，以提高实验结果的可靠性。而对于利用Connectivity Map寻找基因、疾病与生物活性小分子之间的关系的方法已经得到充分的验证，因此我们将使用类似的模式去寻求miRNA和小分子之间的关系，并搭建一个“阿尔茨海默症相关miRNA与小分子关联”信息查询平台是有充足的理论和实践依据。 2.先进性： 基于miRNA与生物活性小分子的作用特点，识别阿尔茨海默症中miRNA与小分子之间的关联关系，对进行分子药物设计具有非常广泛的应用前景。然而miRNA与生物活性小分子的关联研究才刚刚起步，仅处于个例研究的初级阶段，尽管已有人提出了基于分子结构的方法将有助于大规模识别小分子对miRNA的靶向关系。然而，这种方法需要预先知道小分子和miRNA的分子结构，尽管已经有一些模型和工具能够预测某些miRNA前体的结构，但全基因组范围miRNA的3D结构的预测仍是一个很大的挑战。面对成千上万的小分子化合物与上千个miRNA之间形成的巨大的组合关系，低通量的生物学实验逐一验证几乎是不可能完成的任务，因此，本研究开发的大规模识别化学小分子与miRNA关联的生物信息学算法和分析工具在此领域的研究属于开创性的。此外，“阿尔茨海默症相关miRNA与小分子关联”信息查询平台的构建，为揭示miRNA、生物活性小分子、阿尔茨海默症之间的联系，具有十分重要的意义，提供了重要的参考与帮助。 3.实用性： 1)miRNA与小分子关联的识别将为治疗阿尔茨海默症药物新靶点的发现提供崭新的思路。 2)网络信息查询平台的建立则能够为阿尔茨海默症致病机理的研究提供重要的参考和帮助。 3)经过简单的改造，该方法还能够很容易扩展到其他复杂疾病的研究当中。 4)由于本研究完全基于高通量的数据，所以其结果能为药物研发企业和相关领域的科研机构节省大量的时间和资金。 五、作品的技术特点和优势，适应范围及推广前景的技术性说明及市场分析和经济效益预测。 1.技术特点及优势： 运用Meta分析处理高通量基因表达数据，获得与阿尔茨海默症相关的差异表达的miRNA和基因，这样筛选出来的miRNA和基因具有较高的可靠性。另外，利用Connectivity Map，我们可以识别到生物活性小分子、基因、阿尔茨海默症这三者之间的联系，更重要的是我们把这种关系模式应用到了我们开发的技术平台上，而且搭建平台这一流程涉及到的技术可行性强。这个平台解决了当前阿尔茨海默症治疗药物与miRNA研究的瓶颈，进而推动了关于治疗阿尔茨海默症的新药物的研发，同时也为阿尔茨海默症的临床治疗提供了理论依据。 2.作品使用范围及推广前景： 本研究主要面向治疗阿尔茨海默症药物研发企业、科研机构以及阿尔茨海默症发病机理研究的科研工作人员。miRNA与小分子关联的识别将为药物新靶点的发现提供崭新的思路；网络信息查询平台的建立则能够为阿尔茨海默症致病机理的研究提供重要的参考和帮助。此外，经过简单的改造，该方法还能够很容易扩展到其他复杂疾病的研究当中。最后，由于该研究完全基于高通量的数据，所以其结果能为药物研发企业和相关领域的科研机构节省大量的时间和资金，进而推动治疗阿尔茨海默症的新药物的研发，同时也为阿尔茨海默症的临床治疗提供了强有力的理论依据。
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 一、研究目的 发展一种新颖的生物信息学方法用以高通量地识别生物活性小分子与miRNA的关联关系，并构建相应的网络信息平台。 二、研究思路 如果小分子干扰前后的转录反应和阿尔茨海默症（AD）相关miRNA调控的转录反应相似，那么该小分子和该miRNA在AD中很可能存在生物学上的关联。根据这种思想计算每一个AD相关miRNA的差异表达靶基因与所有小分子干扰前后的转录反应的相似性，从而识别小分子与miRNA的关联关系。 三、创新点 miRNA与小分子的关联研究才刚刚起步，缺乏高通量的识别方法，仅处于个例研究阶段，本研究提出一种新颖的高通量生物信息学算法，识别AD中miRNA与小分子之间的生物学关联并构建相应的网络信息平台，属创新研究。 四、技术关键 1.获得与AD相关的miRNA和基因的表达谱数据集并运用Meta分析识别一致差异表达的miRNA及基因。 2.运用Connectivity Map技术识别miRNA和小分子之间的关联。 3.构建miRNA-小分子关联网络，并对网络进行功能拓扑学研究，并分别从miRNA家族、靶基因、功能、小分子结构、药物靶点和药物互作等角度分析。 4.构建网络信息平台。 五、主要技术指标 1.基因一致差异表达显著性程度。 2.利用Connectivity Map评价miRNA与小分子关联强度。 3.miRNA功能一致性、家族一致性、靶基因一致性以及药物靶点一致性、药物结构相似性和药物互作的评价指标。
科学性、先进性
- 1.运用Meta分析，从与AD相关的miRNA和基因的表达谱数据集中识别一致差异表达的miRNA及基因。该方法可以综合多套数据集的信息，获得的结果更加全面可靠。 2.目前miRNA靶基因的预测存在高假阳性的问题，为提高算法的准确性，本研究整合多个miRNA靶基因预测算法的结果，获得可信度较高的miRNA靶基因信息。 3.运用Connectivity Map技术识别miRNA和小分子之间的关联，构建miRNA-小分子关联网络，并对网络进行功能拓扑学研究，并分别从miRNA家族、靶基因、功能、小分子结构、药物靶点和药物互作等角度分析。所使用的方法不仅具有高通量特性，并且通过多角度、全面的分析,保证结果的可靠性。 4.构建全面高效，用户友好的网络信息平台，为阿尔茨海默症相关研究人员提供在线查询服务，有助于阿尔茨海默症新药的研发以及致病机理的研究。
获奖情况及鉴定结果
- 曾获奖项：我校春蕾计划课外科技学术作品大赛特等奖
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 技术入股，共同合作。
作品可展示的形式
- 图片展示，现场演示。
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 技术特点及优势： miRNA具有成为新型生物药物和小分子药物靶点的潜力，然而，目前缺乏有效的高通量识别miRNA与小分子药物关联的方法。本课题以阿尔茨海默症（AD）为研究对象，通过整合大量AD相关基因芯片数据和miRNA芯片数据以及生物活性小分子干扰的基因芯片数据，计算AD相关的miRNA所调控的转录反应与小分子干扰的转录反应之间的相似性，快速、准确地识别AD相关miRNA与小分子潜在的功能关联。此外，本课题还构建了网络查询平台，方便生物学家以及临床医生获取AD相关的miRNA、基因、miRNA与生物活性小分子间的关联等信息。该课题为AD新型候选药物的研发、药物靶点的识别以及药物重置提供了重要的参考和帮助。 作品使用范围及推广前景： 该研究成果可以直接应用到阿尔茨海默症药物研发以及发病机理研究等领域。此外，经过简单的改造，该方法还能够很容易地扩展到其它复杂疾病的相关研究当中。
同类课题研究水平概述
- microRNA（miRNA）是一种长约22个核苷酸的单链小分子RNA ，它是一种重要的细胞调控因子,广泛参与细胞发育、分化、凋亡等生物学过程。实验表明，miRNA在阿尔茨海默症（AD）的发生过程中具有至关重要的调节作用，而大量的研究表明：由于miRNA的调控不会引起靶基因表达的完全抑制，相对于其它的调控子，它对基因的调控更接近正常生理条件下的自然调节作用，同时，miRNA的表达还具有细胞、组织以及发育阶段的特异性，针对它们的干扰能够控制在一定的时间和空间范围内，而不影响全身的系统功能，而miRNA茎环和凸环结构的存在能够改变分子表面的负电荷分布，可以成为化学小分子的功能作用位点，因此，miRNA是一种潜在的且具有很大吸引力的天然生物药物和优良的药物靶点。而RNA抑制技术的发展则为开发miRNA功能创造了实验方面的条件，从而使得基于miRNA的药物研发成为可能。 目前，已经有一些工作通过生物学实验来研究生物活性小分子与miRNA的相互作用：一方面，小分子能够通过靶向miRNA来影响miRNA的表达，而且，miRNA生物合成过程中的关键酶及其辅助因子也可能是药物作用的靶点。另一方面，在高通量的计算分析和生物学实验中都发现：miRNA表达的改变也能影响小分子药物在AD治疗中的敏感性。此外，Bertino等人则进一步提出了“miRNA药物基因组学”的概念，指出通过分析miRNA及其靶基因的突变所引起的药物反应，研究人员可以识别某些特定的miRNA并用以指导病人的个性化给药。 基于miRNA与小分子的作用特点，识别AD中miRNA与小分子之间的关联关系，对进行分子药物设计具有非常广泛的应用前景。然而miRNA与小分子的关联研究才刚刚起步，仅处于个例研究的初级阶段，最近，Calin等人提出基于分子结构的方法将有助于大规模识别小分子对miRNA的靶向关系，如分子对接的方法。然而，这种方法需要预先知道小分子和miRNA的分子结构，尽管已经有一些模型和工具能够预测某些miRNA前体的结构，但全基因组范围miRNA的3D结构的预测仍是一个很大的挑战。面对成千上万的小分子与上千个miRNA之间形成的巨大的组合关系，低通量的生物学实验逐一验证几乎是不可能完成的任务，因此，迫切需要开发大规模识别生物活性小分子与miRNA关联的生物信息学算法和分析工具。
