Integration of Genomics and the Environment

基因组学与环境的整合

基本信息

  • 批准号:
    9763602
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 106.7万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2016
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2016-09-28 至 2021-08-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

 DESCRIPTION (provided by applicant): The environment is perhaps the major contributor to human disease, yet its effect is largely ignored in whole genome approaches to genetics. In this CEGS, we will attack head-on the mechanisms through which environment influences genomic function, focusing on two extremely important exposures highly relevant to human health: diet and its relationship to metabolic disease and cancer; and stress related to neuropsychiatric disease. This requires nearly complete control of the experimental system in a way that cannot be done in humans. Our first aim is develop a new foundational experimental mouse model for understanding gene-environment interaction (GxE). We will expose crosses of the genetically heterogeneous Collaborative Cross population of mice to three well-controlled diets - Western, Mediterranean, ketogenic - and measure phenotypes across organ systems representing metabolic and cardiovascular disease. We will also determine the effects of diet on azoxymethane-induced colon tumors; as well as stress on phenotypes relevant to neuropsychiatric disease. We will couple these analyses to whole genome bisulfite sequencing, chromatin accessibility analysis and transcriptomics of target tissues including liver, adipose tissue, colon, hippocampus, prefrontal cortex, and blood, measuring the nature and flow of information among environment, genome, epigenome, and transcriptome in determining phenotype. Our second aim is to develop new statistical methods as well as a novel mathematical framework for handling the interaction between genetics, epigenetics, and exposure, which will allow us to model how information is passed between these three domains to ultimately shape phenotype. These methods include causal inference testing, analysis of genomically discontiguous genotype-epigenotype relationships, and novel stochastic approaches based on fundamental concepts of statistical physics and information theory. Our third aim is to perform replication in naïve animals and in highly relevant human epidemiologic cohorts: DWH and ALSPAC for diet exposures and metabolic disorders; NHSII and EPIC for diet and colon cancer; and ALSPAC and PIRC for stress and behavioral traits. Our fourth aim is to develop and promulgate new measurement, analytical, and computational technologies for comprehensive genomic analysis of GxE. These include new biological resources and software packages, as well as biochemical, cellular and computational tools to test and improve the models and conclusions from the other Aims, and of broad general use to the genomics community, including: analysis of single or multiple marks for determining long-range GxE relationships; single cell and in situ analysis of gene expression and epigenetic modifications; and novel computational approaches including ultrafast alignment of large datasets. This highly interdisciplinary proposal involves completely novel combinations of mouse genomics, statistical physics, biostatistics, computer science, biochemistry, epidemiology, and single cell analysis, in order to understand the essential question of how genomic function is shaped by the environment.
 描述(由适用提供):环境可能是引起人类疾病的主要贡献者,但在整个基因组方法的遗传学方法中,其作用在很大程度上被忽略了。在此CEG中,我们将攻击环境影响基因组功能的机制,重点是与人类健康高度相关的两个极为重要的暴露:饮食及其与代谢疾病和癌症的关系;和与神经精神病有关的压力。这几乎需要以人类无法完成的方式完全控制实验系统。我们的第一个目的是开发一种新的基础实验小鼠模型,以了解基因环境相互作用(GXE)。我们将揭示小鼠的遗传异质协作跨种群的十字架,以三种良好的控制饮食 - 西方,地中海,生酮,生酮,并在代表代表代谢和心血管疾病的器官系统中测量表型。我们还将确定饮食对甲氧基烷诱导的结肠肿瘤的影响;以及与神经精神疾病有关的表型的压力。我们将将这些分析与整个基因组硫酸盐测序,染色质可及性分析和目标时间的转录组学,包括肝脏,脂肪组织,结肠,海马,海马,前额叶皮层和血液,测量环境,基因组,表观质量组和确定概况的转录的信息的性质和流动。我们的第二个目的是开发新的统计方法以及一个新的数学框架,用于处理遗传学,表观遗传学和曝光之间的相互作用,这将使我们能够建模如何在这三个领域之间传递信息,从而最终塑造表型。这些方法包括因果推理测试,基因型基因型 - 异型型关系的分析以及基于统计物理学和信息理论的基本概念的新型随机方法。我们的第三个目的是在幼稚的动物和高度相关的人类流行病学人群中进行复制:DWH和ALSPAC用于饮食暴露和代谢性疾病; NHSII和EPIC用于饮食和结肠癌;以及ALSPAC和PIRC的压力和行为特征。我们的第四个目标是开发和颁布新的测量,分析和计算技术,以综合GXE基因组分析。其中包括新的生物资源和软件包,以及生化,细胞和计算工具,以测试和改进其他目标的模型和结论,以及对基因组学界的广泛使用,包括:分析以确定长期GXE关系的单个或多个标记;单细胞和基因表达和表观遗传修饰的原位分析;以及新的计算方法,包括大型数据集的超快对齐。这项高度跨学科的建议涉及小鼠基因组学,统计物理学,生物统计学,计算机科学,生物化学,流行病学和单细胞分析的完全新颖的组合,以了解基因组功能如何由环境塑造的基本问题。

项目成果

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