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走进生物学(37章/65章)

第三十七章 孟德尔随机化

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    陈飞决定迅速把系统给他的奖励付诸实践。
      
      他的目光扫过桌上的实验笔记本,一切看起来都准备就绪。
      
      这篇文章主要是分析RNA-seq数据,以评估不同肝细胞癌患者与健康对照组的RNA表达情况。
      
      我们得从头开始解释一下,RNA是啥。
      
      RNA,全称为核糖核酸(Ribonucleic Acid),是遗传信息在细胞中的重要载体。
      
      DNA,或者说脱氧核糖核酸,是生命中最核心的信息载体,负责存储所有的遗传信息。它就像一个大老板,掌控着一切。
      
      然而,这个大老板的工作方式非常大老板——它拥有所有的决策权,也从不亲自下场干活。
      
      DNA不会直接合成生命所需的蛋白质,而是需要“翻译员”和“信使”来帮忙。
      
      这个信使,就是RNA——核糖核酸。DNA负责储存所有的遗传信息,但它不能直接参与蛋白质的合成。
      
      RNA从DNA上复制出特定的基因信息,然后带着这些信息离开细胞核,到达细胞质中的小弟“工厂”——核糖体,在那里按照基因的指令生产蛋白质。
      
      蛋白质,说白了,是一组由氨基酸构成的大分子。虽然它们的组成看起来没那么复杂,但功能可就复杂得多了。
      
      蛋白质是生命的“多面手”,它们几乎参与了所有的生物过程。
      
      因此,进行RNA表达分析,实际上可以揭示它受到哪些基因调控,又影响了哪些下游发挥功能的打工人蛋白质,可谓是承上启下,对于揭示疾病的分子机制至关重要。
      
      而他现在要做的,就是利用这些RNA-seq数据,找到那些在肝细胞癌中异常表达的基因。
      
      RNA-seq是一种利用下一代测序技术(NGS)来捕获和量化样本中所有RNA分子的技术,它能让科学家们在分子水平上解码细胞如何运作,以及癌细胞和健康细胞有何不同。
      
      “对,就是它。”陈飞将目光聚焦在数据分析上,屏幕上闪烁着成百上千条RNA序列的信息。
      
      系统以肝细胞癌作为切入点,因为这种癌症在全球范围内高发,而且致死率高,需要更有效的治疗手段。
      
      这种癌症是全球第六大最常见的癌症,同时也是癌症相关死亡的第三大原因。
      
      HCC(Hepatocellular Carcinoma,肝细胞癌)与慢性肝病密切相关,尤其是乙型肝炎和丙型肝炎的感染。
      
      由于肝脏是人体的主要解毒器官,肝细胞癌的发展与遗传突变、环境因素和病毒感染等多种复杂机制相关。
      
      为了研究这些机制,陈飞决定利用系统提供的实验思路,将现代生物信息学和孟德尔的随机化思想结合起来,找出与肝细胞癌相关的关键基因。
      
      这对于后续开发出有效的治疗方法有很大的意义。
      
      设计实验的第一步:获取RNA-seq数据
      
      陈飞抱紧系统大腿,快速打开了公开数据平台“GEO数据库”,这里有大量的公开生物学数据,其中就包括RNA-seq数据。
      
      他选择了几组肝细胞癌患者的样本,并找到相对应的健康对照组的数据。
      
      这一步非常关键。RNA-seq数据庞大而复杂,需要通过严格的筛选和清洗,才能得出有效的差异表达基因(DEGs)。
      
      差异表达基因就是在疾病状态下与正常状态相比,表现出显著表达差异的基因。
      
      第二步:随机化采样
      
      有了数据之后,陈飞便开始进入实验的核心步骤——随机化设计。
      
      孟德尔的豌豆实验中,随机化是为了消除实验中的人为偏差,每次他从不同的豌豆品种中随机选择个体进行杂交实验,这种方法使得实验结果更具可信度。
      
      孟德尔随机化正是将这个思想引入了现代RNA-seq数据分析。
      
      在他的设计中,他将癌症组和健康对照组的数据进行多次随机化采样。
      
      通过反复随机抽样,他能够确保每次抽取的样本都能代表总体的真实情况。这种方法极大地减少了数据噪音,确保筛选出的差异基因更具生物学意义。
      
      “就像孟德尔反复进行豌豆杂交一样,我也要在这批数据里反复筛选。”陈飞默默念道,手指飞快地在键盘上敲打。采样工作虽然枯燥,但非常关键。
      
      第三步:差异基因分析
      
      随机化采样完成之后,接下来就是关键的差异基因分析步骤了。陈飞使用了R语言中的“DESeq2”包,这是RNA-seq数据分析中非常常用的工具包,专门用来识别差异表达基因。
      
      作为一个苦逼的生物领域搬砖人,陈飞甚至都没有下载过R语言的软件,但是系统君的实验思路写的非常认真,直接让他去参考转码人救星CSDN,
      
      在指导下,陈飞很快安装好了R语言以及RSstudio。
      
      一切准备就绪,可以开大了!
      
      参考着github上一些前人的代码,一顿CtrlC,CtrlV之后,陈飞吭吭哧哧地写完了所有代码。在经历了python界面一次一次error,debug之后,他终于能够让代码运行了。
      
      “看看这数据,”陈飞盯着屏幕上弹出的结果,目光锐利。
      
      经过多次随机化采样和差异基因分析,他成功筛选出了肝细胞癌中显著异常表达的基因。
      
      其中,有几个基因的差异尤为显著,它们在癌症样本中被高度激活,而在健康对照组中几乎没有表达。
      
      这种差异引发了陈飞的浓厚兴趣:“这些基因很可能就是肝细胞癌的核心驱动因素。”
      
      他将这些基因一一标记出来,接下来,他还需要进一步确认这些基因的作用。
      
      第四步:基因调控网络的构建
      
      光有差异表达的基因还不够,陈飞知道,基因之间并不是孤立的,它们通过复杂的调控网络来共同发挥作用。
      
      因此,系统让陈飞构建一个基因调控网络,以便找出那些真正推动肝细胞癌发展的“核心节点”。
      
      基因调控网络可以看作是基因的“社交圈”,某些基因在网络中扮演着关键角色,它们通过调控其他基因的表达,最终影响疾病的发展。
      
      找出这些关键基因,就像抓住了疾病的“领袖”。
      
      “我们要找的就是这些领袖基因。”陈飞说着,将所有筛选出的差异基因输入到网络分析软件中。




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