大数据时代的转化生物医学信息学

转化生物医学信息学是生物信息学、医学信息学与转化医学多学科融合的新型学科,讨论该学科的兴起、学科生态,指出充分的数据共享是基础、完备的基因型-临床表型数据是核心、解决复杂疾病的精准预测问题是关键,深入分析该学科的内涵及大数据背景下发展趋势。

云计算及其在生物信息学中的应用

生物信息学的发展产生了大量的生物数据,为分析生物问题提供了大量的信息,但也对数据的存储和计算能力提出了更高的要求。云计算可以提供无限制的存储和计算能力,并且有低廉高效、简单易用的优点,被视为解决大数据问题的一个强有力的工具。本文分析了云计算的特点,并介绍了其在生物信息学中的应用,对需要应用云计算的研究者提出了一些建议。

一种用于连续动作空间的最小二乘行动者-评论家方法

解决具有连续动作空间的问题是当前强化学习领域的一个研究热点和难点.在处理这类问题时,传统的强化学习算法通常利用先验信息对连续动作空间进行离散化处理,然后再求解最优策略.然而,在很多实际应用中,由于缺乏用于离散化处理的先验信息,算法效果会变差甚至算法失效.针对这类问题,提出了一种最小二乘行动者-评论家方法(least square actor-critic algorithm,LSAC),使用函数逼近器近似表示值函数及策略,利用最小二乘法在线动态求解近似值函数参数及近似策略参数,以近似值函数作为评论家指导近似策略参数的求解.将LSAC算法用于解决经典的具有连续动作空间的小车平衡杆问题和mountain car问题,并与Cacla(continuous actor-critic learning automaton)算法和eNAC(episodic natural actor-critic)算法进行比较.结果表明,LSAC算法能有效地解决连续动作空间问题,并具有较优的执行性能.

家蚕核型多角体病毒水平转移基因分析

为了探讨杆状病毒基因组的遗传进化模式,文章利用家蚕核型多角体病毒(BmNPV)和其宿主家蚕全基因组数据,进行了全基因组的同源性搜索和系统进化分析,结果显示,BmNPV的几丁质酶(Chi)基因、凋亡抑制蛋白3(IAP3)基因和尿苷二磷酸葡萄糖转移酶(UGT)基因为水平转移基因。这3个基因都来源于其宿主昆虫。通过核苷酸组成、密码子偏好性、选择压力等基因特征分析,发现BmNPV水平转移基因与其基因组序列存在明显差异,进一步验证水平转移基因的外源性。对3个水平转移基因的功能分析发现它们有利于杆状病毒在宿主昆虫中的侵染与繁殖,并提高杆状病毒在昆虫中的生存能力。

一种蛋白质点突变计算机预测的并行模型

认识和预测蛋白质天然构象的波动对蛋白质-蛋白质对接和设计等应用是非常重要的.但是许多骨架柔性的方法会导致骨架较大幅度的波动.Backrub模型能够对骨架进行微小的扰动,符合高分辨率晶体结构中观察到的构象的微妙变化.本文提出了一种基于Backrub的并行扰动骨架和侧链的模型,可以对天然构象的等价状态进行模拟.这种并行扰动方式更加接近于真实情况下蛋白质构象的运动方式,更好地模拟了实验数据.通过预测10个点突变实例,相比串行随机扰动模型产生的构象,并行模型不仅从时间上提高了产生构象的速度,更提高了侧链的预测精度.

健康管理与深度测序数据解析的挑战

介绍深度测序技术对生物医学研究和社会的影响,讨论深度测序数据解析及其在健康管理应用中所面临的挑战和机遇,包括数据存取、计算技术、数据应用、人才缺失与跨学科人才教育等方面。

癌症的异质性表征与深度表型

随着老龄化时代的到来,癌症发病率不断增高,癌症的防治和慢病管理已成为推动社会经济发展的关键因素。生物医学和信息技术的迅猛发展以及主动健康、精准医学和大数据范式的兴起等,为癌症的防治带来新的机遇。从信息学角度探讨了癌症异质性的形成与表征,癌症深度表型挖掘,癌症治疗的组合用药算法,癌症的预防与慢病管理的信息模型、系统与平台等方面的最新研究方向,并对癌症医学信息学领域面临的挑战与机会进行了分析和展望。

基于物联网的危重病人体征监测报警方法研究

研究危重病人生命体征正确监测报警问题,由于病人在危重时生命体征信号波动微弱,采用当前的算法进行危重病人生命体征监测时容易受到外界因素的干扰,存在监测误差大的问题。为此提出了一种基于物联网的危重病人生命体征监测报警方法。方法先融合于线性调频连续波雷达原理分析危重病人的生理状态(心跳、呼吸)引起的微动与回波幅度、相位等之间的关系,并提取危重病人生命体征信号,并依据提取的危重病人生命体征信号与干扰噪声在不同频域上的差异,采用低通滤波器滤除高频干扰分量,以危重病人生命体征信号(正常与异常)状态在统计特征上的差别为标准,对危重病人生命体征信号是否出现异常进行判断,实现了危重病人生命体征信号的监测报警。实验结果证明,基于物联网的危重病人生命体征监测报警方法大幅度提升了危重病人监控报警的准确性。

不可信任环境下敏感数据自动匿名方法仿真

针对目前多数匿名方法对敏感数据所有敏感属性值均作同等处理,没有考虑其敏感程度和具体分布情况,易受到相似性攻击和偏斜性攻击,导致信息损失较高的问题。提出一种基于频繁集发现的不可信任环境下敏感数据自动匿名方法。上述方法先对敏感数据属性所隐含的现实意义进行语义分析,计算敏感数据属性值之间的语义相似值和语义相异值,将准标识符中的属性分划为数值型属性和分类型属性两种类型,给出相应的敏感数据概化策略,计算出敏感数据集泛化信息损失,通过频繁集发现思想定义可考虑权重的敏感数据泛化匿名表效用度量函数,计算出所有敏感数据等价组加权信息量的平均值,由此完成不可信任环境下敏感数据自动匿名。实验结果表明,所提方法能够有效降低敏感数据泄露的风险概率,同时能够很好地降低实现自动匿名概化处理带来的信息损失。

生物钟基因Rev-erb-α缺失导致雌鼠生理周期延长

在哺乳动物中,生物节律与生殖生理和生殖内分泌密切相关,流行病学研究显示长期倒时差的女性表现出生殖力低下和不良妊娠的概率更高,但是人们对生物节律影响生殖的机制了解还很少。本研究旨在以时钟基因Rev-erb-α敲除型(Rev-erb-α-/-)雌性小鼠为模型初步探索生物节律对生殖的影响。将Rev-erb-α-/-和野生型(Rev-erb-α+/+)小鼠与C57BL/6J小鼠交配观察生殖力变化,用苏木精-伊红(HE)染色法观察卵巢组织变化,将Rev-erb-α+/+与Rev-erb-α-/-雌性小鼠分别与C57BL/6J雄性小鼠交配后比较见栓后1.5d统计的胚胎数量,用阴道涂片结合周期图和周期谱观察小鼠生理周期变化。结果显示,Rev-erb-α-/-雌性小鼠与C57BL/6J雄鼠交配是不生育的,并且Rev-erb-α-/-雌性小鼠生成的胚胎数量明显减少。Rev-erb-α-/-雌性小鼠卵巢存在各级卵泡,并且结构与野生型(Rev-erb-α+/+)雌性小鼠相比无明显差异。Rev-erb-α-/-雌性小鼠的生理周期较Rev-erb-α+/+小鼠周期长约3.22d,较Rev-erb-α+/+雌性小鼠延长63.5%。以上结果提示,生物钟基因Rev-erb-α缺失导致雌性小鼠生理周期明显延长,可能是影响雌性小鼠生育的原因之一。因此,生物节律的稳定对于生理周期具有重要作用。

MicroRNA-218在前列腺癌组织与血清中的表达及相关性研究

目的检测并探讨microRNA-218在前列腺癌组织与血清中表达及相关性。方法收集72例初次诊断为前列腺癌患者(PCa)、80例前列腺增生患者(BPH)的组织与相应术前血清,86例激素依赖性前列腺癌患者(ADPC)、76例激素难治性前列腺癌患者(HRPC)血清。临床资料通过回顾分析患者住院期间病历资料获得。采用实时荧光定量法检测组织与血清中microRNA-218的表达情况,分析其在前列腺组织与血清中表达的相关性,与临床、病理特性及前列腺癌进展的相关性。结果前列腺增生患者组织及相应血清中microRNA-218的表达水平均高于前列腺癌患者(P <0. 001)。前列腺增生患者、前列腺癌患者组织与血清中microRNA-218的表达均呈正相关(r=0. 815,0. 423,P <0. 001)。初诊前列腺癌组织、血清中microRNA-218的表达水平与总前列腺特异性抗原(t PSA)、临床分期、病理分级均呈负相关(P <0. 05)。血清microRNA-218在激素依赖性前列腺癌患者与初诊前列腺癌患者中表达差异无统计学意义(P> 0. 05),但显著低于激素难治性前列腺癌患者(P <0. 05),且均与t PSA呈正相关(P <0. 05)。结论前列腺增生及前列腺癌患者血清microRNA-218表达水平变化可反映组织中microRNA-218的表达水平变化情况。血清MicroRNA-218有望成为一个前列腺癌早期诊断、前列腺癌进展中有潜在价值的生物标志物。

肌萎缩性脊髓侧索硬化症相关蛋白SOD1的氨基酸突变对其聚集的影响

目的探讨肌萎缩性脊髓侧索硬化症(ALS)发病过程中超氧化物歧化酶1(SOD1)氨基酸突变对其聚集的影响。方法收集全部已知SOD1氨基酸错义突变106个,运用AGGRESCAN、PASTA、TANGO3种生物信息学方法和工具,预测错义突变对蛋白质聚集倾向的作用。结果3种生物信息学工具预测结果基本一致,共有39个对蛋白质聚集有促进作用的突变,占所有突变的37%。结论氨基酸突变导致蛋白质聚集并非是导致ALS发病的唯一途径,ALS发病机制是一个多因素的复杂过程。

前列腺癌分子机制的动力学研究进展

前列腺癌是发生在前列腺上皮的恶性肿瘤,具有较高的发生率和死亡率。本文基于前列腺癌发生发展的生物分子学机制,构建动力学模型模拟其在癌症中的作用,为前列腺癌的诊断和预后提供帮助。对于单一分子功能研究,比如信号通道、蛋白质网络,构建常微分方程组即可模拟分子变化曲线。对于多阶段的分子功能研究,可构建分段线性数学模型量化过程。动力学模型模拟计算可由MATLAB编程得到。

MicroRNA及其靶基因在预测直肠癌放化疗疗效中的作用

目的MicroRNA及其靶基因参与直肠癌放化疗疗效应答,本研究旨在筛选直肠癌放化疗疗效相关的microRNA及其靶基因,推动直肠癌放化疗疗效的基础研究.方法 基于PubMed数据库挖掘与直肠癌放化疗疗效相关的microRNA,结合microRNA-mRNA调控关系以及基因芯片表达谱数据,寻找与直肠癌放化疗疗效相关的靶基因.通过DAVID、IPA等工具对靶基因进行基因本体论和信号转导通路富集分析.结果 通过文本挖掘,共搜集到38个与直肠癌放化疗相关的microRNA,结合实验验证和计算机预测的microRNA-mRNA调控关系,共得到潜在的靶基因3545个.其中,131个在基因芯片表达谱（GSE35452）中具有显著的差异表达现象（P＜0.05）.基因本体论以及信号转导通路富集结果表明,这些基因与直肠放化疗疗效密切相关.结论 上述microRNA及其调控的差异表达基因参与了直肠癌放化疗疗效相关的多条信号通路,在一定程度上从生物机制的角度解释了直肠癌放化疗疗效的差异.同时,筛选出的microRNA及其靶基因也为预测直肠癌放化疗疗效的研究提供了理论依据.

微小RNA活性分析法筛选前列腺癌去势抵抗转化相关微小RNA的实验研究

目的探讨微小RNA(miRNA)活性分析法筛选前列腺癌去势抵抗转化相关miRNA的效率。方法应用miRNA活性分析法筛选出在前列腺癌去势抵抗过程中潜在的发挥活性作用的miRNAs。培养人激素敏感型前列腺癌LNCAP细胞(对照组)及人去势抵抗型前列腺癌C4-2细胞(C4-2组)、PC-3细胞(PC-3组)、DU-145细胞(DU-145组),提取各组细胞总RNA,采用实时荧光定量PCR(qPCR)检测miRNAs,比较各组细胞miRNAs的表达情况。结果应用miRNA活性分析法,依据筛选流程,共选出9个差异表达的miRNAs,分别为miR-1、miR-122、miR-218、miR-145、miR-155、miR-210、miR-197、miR-346、let-7b。采用qPCR检测这9个miRNAs,结果显示,7个miRNAs在两种不同状态下的前列腺癌细胞中存在差异表达;在不同去势抵抗型前列腺癌细胞中,miR-210、miR-197、miR-346、miR-218均明显高表达,而miR-122、miR-145、let-7b均明显低表达。结论采用miRNA活性分析法筛选前列腺癌去势抵抗转化相关miRNA,有着较高的准确性与可信度;其具体转化过程还需进一步证实。

交叉学科研究生创新型人才培养模式探索

交叉学科是培养创新型人才的重要途径,研究生教育应转变培养模式,构建交叉学科教学体系,培养创新型、复合型人才。

急性冠状动脉综合征相关microRNA靶向通路及其功能分析

目的利用生物信息学方法探讨急性冠状动脉综合征(ACS)中microRNA的功能,在通路层次上、系统地研究急性冠状动脉综合征的机理,寻找新的急性冠状动脉综合征相关的反应通路。方法通过收集文献中报道的急性冠状动脉综合征相关的microRNA,利用计算方法预测这些microRNA的作用靶点,再将这些靶点在通路数据库中进行富集统计分析,对富集的通路进一步进行功能注解。结果通过计算分析寻找到了microRNA靶向的7个新的可能的急性冠状动脉综合征相关的反应通路,供进一步实验验证。结论急性冠状动脉综合征是一个复杂疾病,尽管不同的microRNA功能和作用机制不同,在通路层次上我们可以系统地注解它们的功能和作用。