基因表达是细胞内基因信息转化为蛋白质的过程，是生命活动的基础。随着科技的发展，多组学技术（Multi-Omics）的应用为深入理解基因表达的多级调控机制提供了强有力的工具。今天，我们就来聊聊多组学是如何助力我们理解基因表达的复杂世界的。基因表达调控是细胞对内外环境变化作出响应的关键。它决定了哪些基因在何时何地被激活或抑制，进而影响细胞的命运和功能。异常的基因表达调控与许多疾病的发生发展密切相关，如癌症、糖尿病等。![]()
图1.真核生物的基因表达调控
多组学技术（Multi-Omics）是一种综合的生物学研究方法，它涵盖了多个生物学层面的数据，包括但不限于基因组学（Genomics）、转录组学（Transcriptomics）、蛋白质组学（Proteomics）、代谢组学（Metabolomics）和表观基因组学（Epigenomics）等。这些组学方法允许我们从不同角度和层面去理解生物体的复杂性，揭示生物过程和疾病发生的机制。基因组学提供了基因表达研究的基础蓝图。基因组学主要研究机体内的遗传物质也就是DNA的组成、结构、功能、定位和编辑等，是对生物体内所有基因进行定量研究并分析他们的生物学意义，为理解基因表达调控奠定基础。![]()
图3.癌症基因组
转录组学在全基因组范围内检测RNA水平，包括定性 (存在哪些转录本，识别新的剪接位点，RNA编辑位点)和定量 (每个转录本表达多少)，揭示基因表达的动态变化。我们目前所说的转录组测序包括mRNA测序、lncRNA测序、miRNA测序、全转录组测序和单细胞转录组测序等。图4.RNA的类型
蛋白质是基因表达的终端产物，而蛋白质组学则深入研究这些蛋白质的表达、修饰和相互作用。与基因组的相对稳定性不同，蛋白质组的组成会因组织类型和环境条件而变化，展现出高度的动态性。基因数量有限，但通过mRNA的多样剪接和蛋白质的翻译后修饰，生物体内蛋白质的多样性得以显著扩展。质谱技术的应用极大地推进了我们对蛋白质表达谱和修饰状态的全面分析，为理解生命过程提供了新的视角。![]()
代谢组学研究细胞内的代谢物种类和浓度。代谢物作为细胞内环境的重要指标，其变化能够反映基因表达调控的最终效果。基因表达调控是细胞内一个复杂的过程，它决定了哪些基因被转录成mRNA，进而翻译成蛋白质。蛋白质是细胞功能的主要执行者，而代谢物则是细胞代谢活动的产物。因此，基因表达的变化最终会通过代谢物的变化反映出来。通过研究代谢组，科学家可以更深入地理解基因表达如何影响细胞的代谢活动，以及这些变化如何与疾病和其他生物学过程相关联。![]()
图6.代谢组学技术
表观遗传学是研究基因表达调控的科学领域，它关注的是DNA序列以外的因素如何影响基因的活性和表达。表观遗传修饰可以在不改变DNA序列的情况下调控基因的活性，这些修饰包括但不限于以下几种：DNA甲基化、组蛋白修饰、染色质重塑、非编码RNA、RNA修饰。表观遗传修饰对细胞分化、发育、细胞记忆以及疾病发生等过程都有重要影响。它们可以在细胞分裂时遗传给后代细胞，也可以在个体的生命周期中响应环境变化而发生动态变化。研究表观遗传学可以帮助我们更好地理解基因如何在不同的环境和生理状态下被调控，以及这些调控机制如何与疾病相关联。此外，表观遗传学也为开发新的治疗策略提供了可能，例如通过药物干预特定的表观遗传修饰来治疗疾病。![]()
多组学技术的特点是将基因组、表观基因组、转录组、蛋白组及代谢组等多维层次的信息进行有机整合，构建基因的调控网络，全面探索和深层次理解各生物分子之间的调控及因果关系，从而正确解析生命体的生物功能和生理机制。这种整合不仅有助于揭示生命过程的复杂性，也为疾病机理的研究和新药的开发提供了新的思路。
案例一：多器官多组学多时间点解析耐力运动后的分子变化
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本文的主要研究内容是关于多组学技术在耐力运动训练响应中的应用，特别是研究了耐力运动训练对雄性和雌性大鼠在分子层面的影响。研究由Molecular Transducers of Physical Activity Consortium (MoTrPAC) 项目团队进行，涵盖了基因组学、表观基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学、脂质组学、磷酸化蛋白质组学、乙酰化蛋白质组学、泛素化蛋白质组学、表观遗传学和免疫组学等多个层面。研究使用了6个月大的雄性和雌性Fischer 344大鼠，进行了为期1周、2周、4周或8周的跑步机耐力训练，并在最后一次运动后48小时收集了血液、血浆和18种固体组织样本。通过高通量测序技术和质谱技术，研究者们分析了这些样本，识别了数千个训练引起的分子变化，包括mRNA转录本、蛋白质、翻译后修饰和代谢物的变化。研究结果显示，训练引起的分子适应性变化是多方面的，涉及免疫、代谢、应激反应和线粒体途径的广泛调节。研究还探讨了运动对人类健康的潜在影响，包括非酒精性脂肪肝病、炎症性肠病、心血管健康以及组织损伤和恢复等方面。此外，研究还发现了性别差异对训练响应的影响，并提出了多组学数据整合分析的新方法，为理解运动如何改善整体健康和特定疾病提供了新的视角。研究数据和分析结果被提供在公共数据存储库中，供进一步的研究和探索使用。这项研究为理解运动训练引起的适应性变化提供了宝贵的资源，并且为未来的研究提供了新的途径，以探索运动对健康和疾病影响的分子机制。![]()
图8.多组学实验设计和数据集
案例二：综合多组学+群体遗传学+基因功能解析系统高效鉴定小麦关键调控因子新策略
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研究题目：Systematic identification of wheat spike developmental regulators by integrated multi-omics, transcriptional network, GWAS, and genetic analyses
研究内容：
本文通过综合多组学分析、转录网络构建、全基因组关联分析(GWAS)和遗传研究，系统地鉴定了调控小麦穗发育的调控因子。研究团队分析了小麦幼穗在八个发育阶段的转录组和表观基因组图谱，揭示了染色质可及性和H3K27me3丰度在开花转变期间的协调变化。构建了一个核心转录调控网络(TaSPL15-TaAGLG1-TaFUL2-TaHMA模块)，并通过实验验证了其在小麦穗形成中的作用。结合GWAS，鉴定了227个转录因子，包括已知和未知功能的。特别是，研究发现在驯化和育种过程中，中国地区富集了TaMYB30-A1的优秀单倍型，含有WFZP结合位点的C等位基因，从而改善了农艺性状。此外，还构建了一个免费的、开放访问的小麦穗多组学数据库(WSMOD)，为进一步研究和育种应用提供了便利。该研究不仅揭示了小麦穗发育的遗传基础，而且为小麦育种应用提供了有效的策略和新的高置信度调控因子。
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图9.小麦穗发育过程中的转录组和染色质分布图
基因表达调控是一个复杂的系统工程，多组学技术的应用为我们提供了探索这一系统的有力工具。让我们共同期待，在未来的研究中，多组学技术能够揭示更多生命科学的奥秘。如有多组学技术的研究需求，欢迎联系我们。![]()
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