[发明专利]利用单细胞转录和基因敲除数据推断基因调控网络的方法

权利要求书

1.一种利用单细胞转录和基因敲除数据推断基因调控网络的方法，其特征在于，包括：

步骤一、利用基因敲除技术分别收集多个细胞中的稳态基因转录表达数据，刺激各个细胞后，在多个时间点收集单个细胞的转录表达数据，具体操作为：

利用GNW模拟基因敲除实验，得到野生型和敲除型生物体的稳态基因表达数据，其中野生型表达数据来自于没有经历任何突变的生物体的原始菌株；敲除数据来自于原始菌株敲除或削弱一个或多个基因后得到的生物体的菌株；

在多个时间点从多个单细胞中采集的基因表达值构成时间序列单细胞表达数据；

步骤二、分析基因敲除前后的稳态表达数据对基因进行分类；

步骤三、利用单细胞转录数据计算基因间分布距离，结合基因分类的先验知识为每个基因建立多时间点的多维回归模型，采用数学方法计算模型中的关系因子；

步骤四、对基因敲除数据进行相应的算法分析去除部分假阳性判断，包括步骤：

分析基因敲除数据去除初步GRN推断中误判的两基因间的直接调控关系，所述分析基因敲除数据去除初步GRN推断中误判的两基因间的直接调控关系，包括步骤：

分别在野生型和敲除后的菌株中采集稳态的基因表达值；若后者的除敲除基因以外的其他基因的表达水平较前者有较大变化，则说明所敲除的基因对该基因有调控作用，反之，没有调控作用；因此，利用这样的方法可以去除部分初步推断的假阳性结果，具体步骤如下：

(1)利用基因芯片技术采集野生菌株所有基因的表达水平；

(2)利用基因敲除技术依此敲除每个基因，并同时采集该菌株所有基因的表达水平；

(3)对比敲除前后各基因表达水平的变化情况，采用一定的度量方式来判断其是否有变化，从而判断当前基因是否受敲除基因的调控作用；

采取两者的差值来作为度量，假设GK为敲除菌株的表达值，GW为野生菌株的表达值，则：GK_i,j-GW_jα时，认为基因j的表达水平有变化，则基因j受到基因i的调控；其中GK_i,j表示敲除基因i时基因j的表达值，0i11,0j11，α的值应根据所采集的基因表达水平的整体情况来确定；将推断得到的实际不存在的调控关系置为0，重新输出调控关系矩阵，将此矩阵作为进一步分析处理的输入；

分析基因敲除数据去除初步GRN推断中将间接调控误判为直接调控的推断，包括步骤：

首先需要确定所需判断的调控关系，即调控网络中存在间接调控关系的两基因间可能存在或不存在的直接调控关系，称之为“不确定调控”；实现这一步骤首先要确定基因调控网络的上限GU和下限GL集合，上限集合可由前期推断的GRN得到，下限集合则是将所有“不确定调控”去掉；通过后续步骤不断更新上下限集合，直至两集合全等；

通过断开“不确定调控”的间接调控路径后扰动调控基因，观察当前GRN中基因表达水平的变化，来确定两基因间是否真正存在直接调控关系；为了实现这一过程，需要找到能够断开间接路径的最佳基因组，包括步骤：

将以下规则确定的集合成为“边分离”：

1. S₁(i，j)＝GU中i的子代∩GU中j的祖先

2. S₂(i，j)＝GU中i的后代∩GU中j的亲本

3. S₃(i，j)＝GU中i的后代∩GU中j的祖先

当网络中存在多条间接调控时，依此找到他们的边分离，再统计共同的集合数量最大的集合，即为所要敲除的最佳基因组；

根据所推断的基因间关系确定基因调控网络，包括步骤：

根据真实网络中的调控数量确定一个参数因子；

根据参数因子，按照所推断的关系因子表中的概率值确定最终的基因调控网络；

步骤五、根据所推断的基因间关系确定基因调控网络。