高通量测序技术的发展衍生出一系列微生物组(microbiome)研究技术,如扩增子、宏基因组、宏转录组等,快速推动了微生物组领域的发展。微生物组数据分析涉及的基础知识、软件和数据库较多,对于同领域研究者开展学习和选择合适的分析方法具有一定困难。本文系统概述了微生物组数据分析的基本思想和基础知识,详细总结比较了扩增子和宏基因组分析中的常用软件和数据库,并对高通量数据下游分析中常用的几种方法,包括统计和可视化、网络分析、进化分析、机器学习和关联分析等,从可用性、软件选择以及应用等几个方面进行了概述。本文拟通过对当前微生物组主流分析方法的整理和总结,为同领域研究者更方便、灵活的开展数据分析,快速选择研究分析工具,高效挖掘数据背后的生物学意义提供参考,进一步推动微生物组研究在生物学领域的发展。
基因编辑技术是以特异性改变遗传物质靶向序列为目标的技术。近年来,锌指核酸酶(zinc finger nuclease, ZFN)、类转录激活因子效应核酸酶(transcription activator-like effector nuclease, TALEN)、规律成簇的间隔短回文重复(regular clustering of short palindrome repeats, CRISPR)和单碱基编辑(base editing, BE)技术的相继出现,不仅为基因功能研究提供了有力的工具,还为生命医学提供了新的治疗方案。基因编辑技术已经大范围应用于动物细胞模型的构建、药物靶点的筛查和基因功能研究等,在基因治疗领域也展现出广阔的应用前景。本文就基因编辑技术的研究进展及其在基因治疗中的应用进行了概述,并对基因编辑技术的的原理、发展史、优缺点以及在基因治疗中的应用前景和机遇挑战进行了讨论,以期为基因编辑技术的临床转化提供参考。
组蛋白是真核生物中一类进化上相对保守的蛋白质。由组蛋白八聚体及缠绕其上的DNA构成的核小体是真核生物染色质的基本组成单位。核小体使DNA保持固缩状态,既能维持基因组的稳定性,又能保证DNA序列可以正确地进行复制、转录、重组和修复。核小体调控细胞的生物过程除了通过组蛋白翻译后修饰,还可以通过组蛋白变体替换的方式进行。研究发现,组蛋白H3变体H3.3与常规组蛋白H3尽管仅有几个氨基酸的区别,但H3.3却能由特异的分子伴侣介导,整合进入染色质的特定区域,从而发挥不同的作用。同时,H3.3作为一种母源因子在正常受精和体细胞核移植等细胞重编程过程中也发挥着重要作用。本文总结了H3.3的结构特点和富集情况,探讨了特异的分子伴侣及其在细胞重编程中的作用,以期为提高体细胞重编程效率提供新思路,为体细胞重编程的应用奠定基础。
我国的水稻育种经历了矮化育种、杂种优势利用和绿色超级稻培育3次飞跃,其间伴随矮化育种(第一次绿色革命)、三系杂交稻培育、二系杂交稻培育、亚种间杂种优势利用、理想株型育种和绿色超级稻培育等6个重要历程。育种目标从唯产量是举到高抗、优质和高产并重,育种理念从高产优质逐步提升为“少投入,多产出,保护环境”。水稻功能基因组研究为第二次绿色革命准备了大量的有重要利用价值的基因,水稻育种正迈向设计育种的新时代。基因组选择技术和转基因技术将为培育“少打农药,少施化肥,节水抗旱,优质高产” 绿色超级稻保驾护航。本文对我国水稻遗传育种的发展历程进行了概括,指出了各种育种方法和育种技术的优缺点,系统介绍了水稻细胞质雄性不育和光温敏雄性核不育以及籼粳杂种不育的分子机制的研究进展,综述了水稻株型、穗型、粒形和养分高效利用相关的重要功能基因,阐明了产量与开花期联动的关系,凸显了我国水稻基础研究在国际上的重要地位。特别指出,近年来,我国水稻生产方式发生了或正在发生巨大变革,育种理念也要与时俱进。未来,杂交育种技术要与现代育种技术紧密结合,选育水稻品种不仅要满足市场需求,而且更要具备绿色健康的特点,同时还要适应新耕作制度和新耕作方法。
基因编辑技术是一种能够对生物体的基因组及其转录产物进行定点修饰或者修改的技术,早期基因编辑技术包括归巢内切酶、锌指核酸内切酶和类转录激活因子效应物。近年来,以CRISPR/Cas9系统为代表的新型技术使基因编辑的研究和应用领域得以迅速拓展。本文对基因编辑技术的原理、技术发展及其应用进行了阐述,对我国在基因编辑机制研究及技术发展、基因编辑动植物模型构建、基因治疗等领域的研究进展进行了回顾,并对基因技术的发展前景及趋势进行了展望。
随着二代测序技术的快速发展,数据量不断累积,肿瘤学家的目光逐渐由多物种测序转移至高通量测序数据的分析和比对。基因数据分析方法层出不穷,高通量的组学分析手段不断优化和创新,基因数据的挖掘和分析工作正处于飞速发展的时期。以肿瘤病人样本为核心的数据库 The Cancer Genome Atlas (TCGA)由此应运而生,该数据库全方位记录了从临床肿瘤病人样本得到的基因数据如DNA序列、转录本信息、表观遗传学修饰等。本文主要从数据分析方法、TCGA数据库及其应用实例等3个方面详细介绍了肿瘤相关基因数据的深入挖掘和生物信息学分析方法的最新研究进展,以期为研究人员利用大数据发现肿瘤防治相关的新靶点提供借鉴和参考。
碱基编辑技术(base editing)是基于CRISPR/Cas系统发展起来的新型靶基因修饰技术,目前依据碱基修饰酶的不同可分为胞嘧啶碱基编辑器(cytosine base editor, CBE)和腺嘌呤碱基编辑器(adenine base editor, ABE)。这两类碱基编辑系统利用胞嘧啶脱氨酶或人工进化的腺嘌呤脱氨酶对靶位点进行精准的碱基编辑,最终可以分别实现C-T (G-A)或A-G (T-C)的碱基替换。碱基编辑技术自2016年被开发以来,因其高效、不依赖DNA双链断裂产生、无需供体DNA参与等优势,已经成功应用在各种动物、植物及其他生物中,为基因治疗及精准作物育种等领域提供了重要技术支撑。本文从碱基编辑技术的特点、开发过程、优化、应用、脱靶效应及改善策略等方面进行了系统介绍,最后对未来需要迫切解决的一些问题进行了分析和展望,以期为相关领域的科研人员进一步了解、使用及优化碱基编辑系统提供参考。
在传统的正向遗传学分析过程中,基因定位需要构建复杂的后代群体,并借助大量分子标记进行遗传连锁分析和区间定位,使得这一过程成本高且耗时长。MutMap是近年来发展的基于高通量第二代测序技术的一种新的正向遗传学分析方法。该方法的优点是遗传定位的周期短且效率高。在此基础上扩展的新方法也不断出现,如基于自交的MutMap+、用于识别基因组缺失区间变异的MutMap-Gap、以及用于定位数量性状基因座的分析思路与MutMap类似的QTL-seq方法等。这些方法不需要建立繁琐的定位群体,甚至不依赖于遗传杂交和任何连锁信息即可进行,加快了对感兴趣表型的变异位点所在基因组区域的识别过程。本文对MutMap及其扩展方法进行了介绍,并对它们未来的应用和发展前景进行了讨论,以期为基于第二代测序技术的正向遗传学基因定位和作物遗传改良研究提供参考。
油菜素内酯(brassinosteroid, BR)是植物特有的甾体激素,在植物生长发育及逆境应答过程中起重要作用。转录因子BES1/BZR1(BRI1 EMS SUPPRESSOR 1/BRASSINAZOLE RESISTANT 1)是BR信号转导的核心成员,被BR信号激活后,结合到下游靶基因启动子区的E框(CANNTG)或BRRE元件(CGTGT/CG),调节靶基因表达。除介导BR信号,BES1/BZR1还参与脱落酸、赤霉素及光等信号转导途径,协同调控植物的生长发育。最新研究发现,BES1/BZR1还参与调控植物的抗逆性。本文对转录因子BES1/BZR1通过信号转导调控植物生长发育和抗逆性分子机制的新近研究进展进行了综述,以期为相关研究提供参考。
泛素化修饰是真核生物细胞内重要的翻译后修饰类型,通过调节蛋白质活性、稳定性和亚细胞定位广泛参与细胞内各项信号传导与代谢过程,对维持正常生命活动具有重要意义。组蛋白作为染色质中主要的蛋白成分,与DNA复制转录、修复等行为密切相关,是研究翻译后修饰的热点。DNA损伤后,组蛋白泛素化修饰通过调节核小体结构、激活细胞周期检查点、影响修复因子的招募与装配等诸多途径参与损伤应答。同时,组蛋白泛素化修饰还能调节其他位点翻译后修饰,并通过这种串扰(crosstalk)作用调节DNA损伤应答。本文介绍了组蛋白泛素化修饰的主要位点和相关组分(包括E3连接酶、去泛素化酶与效应分子),以及这些修饰作用共同编译形成的信号网络在DNA损伤应答中的作用,最后总结了目前该领域研究所面临的一些问题,以期为科研人员进一步探索组蛋白密码在DNA损伤应答中的作用提供参考。
小麦是我国最重要的口粮作物之一。在小麦生产所面临的各种病害中,赤霉病的发生具有愈来愈严重的趋势,引起小麦产业界的高度关注。近几十年来,科研人员在小麦抗赤霉病遗传育种以及防控技术领域进行了持续不懈的努力,在赤霉病病原菌致病基因、小麦赤霉病抗性基因定位、克隆及功能研究以及抗赤霉病分子育种等方面取得了重大进展。本文主要从赤霉病抗性基因资源的发掘和鉴定、不同抗源遗传基础解析、小麦赤霉病抗性基因、抗赤霉病分子标记辅助选择育种与基因聚合以及小麦抗赤霉病基因的克隆和功能研究等方面进行了综述,分析了目前小麦抗赤霉病研究中存在的问题,并提出应加强基因克隆、功能分子标记开发以及应用单体型辅助选择(HAS)和标记组辅助选择(MSAS)等小麦抗赤霉病研究的相关建议。
m 6A甲基化是20世纪70年代被发现的一种RNA分子上的甲基化修饰,存在于各种RNA中,但主要在mRNA中出现。与DNA甲基化相似,m 6A甲基化也可以在不改变碱基序列的情况下对基因的转录后表达水平具有调控作用。它主要是通过影响mRNA与读取蛋白的结合,从而调控mRNA的可变剪接、翻译效率和稳定性等,进而改变基因表达。研究早期,受限于m 6A甲基化位点的检测技术不够灵敏,转录组中的m 6A位点无法被完整而有效地鉴别。随着二代测序与生物信息学的发展,已有多种方法可以对m 6A甲基化位点进行检测和预测。目前的研究表明,m 6A甲基化与肿瘤的发生发展也密切相关。本文结合近期的研究进展,对m 6A甲基化的概念、检测和预测手段,特别是m6A与肿瘤发生之间的关系进行了综述,旨在为肿瘤的分子病理诊断和分子靶向治疗寻找新方向。
超级增强子是由多个相邻近的普通增强子组成的、驱动调控细胞身份基因表达的一个大簇,该区域富集高密度的转录因子、辅因子及增强子相关表观修饰。超级增强子所驱动的异常转录基因对维持肿瘤细胞特性至关重要。肿瘤细胞通过组装自身超级增强子,显著促进多种癌基因表达,从而增强肿瘤细胞的增殖、侵袭和转移的能力;抑制超级增强子的活性,则显著抑制肿瘤细胞的生长和存活。本文对目前报道的肿瘤细胞中超级增强子的结构特征和功能调控,以及靶向超级增强子药物研发现状进行了总结,旨在为研发新的针对超级增强子为靶点的抗肿瘤药物提供理论基础和借鉴。
基因组DNA在细胞核中并不是呈线性的一字排列,而是以三维结构高度折叠并浓缩成染色质的方式储存于核内,具有特定的高级空间结构和构象。高通量染色体构象捕获(high-througnput chromosome conformation capture, Hi-C)技术于2009年首次被提出,目前已得到大规模运用,使得人们对于三维基因组学有了更深刻的认识。研究表明,哺乳动物基因组三维层级结构单元由大到小依次为染色体疆域(chromosome territory, CT)、染色质区室(chromatin compartment A/B)、拓扑关联结构域(topological associated domain, TAD)和染色质环(chromatin loop),这些层级结构单元在基因转录和表达调控过程中发挥着重要作用。本文基于Hi-C技术从染色质的三维层级结构划分、构象单元作用以及三维基因组在发育、疾病等方面的应用进行阐述,旨在为更深入地了解哺乳动物三维基因组学研究提供参考。
TBC(Tre-2/Bub2/Cdc16)是真核生物中普遍存在的一种由200个氨基酸残基组成的保守性蛋白质结构域,含有该结构域的蛋白质被称为TBC蛋白。TBC蛋白具有GTPase激活活性,可促进小G蛋白Rab-GTP水解为Rab-GDP,从而参与特异的胞内转运过程。在哺乳动物中,部分TBC蛋白具有十分重要的作用,其功能异常与人类疾病的发生发展密切相关。本文主要介绍了哺乳动物TBC蛋白的结构和功能,以及近年来TBC蛋白在人类疾病发生发展中的作用,以期为深入解析TBC蛋白的致病机制提供参考。
在真核生物中,mRNA翻译是一个复杂的多步骤过程,包括起始、延伸和终止3个阶段。其中,起始阶段的调控是影响mRNA翻译的关键。目前已经发现,mRNA翻译起始方式有多种,以最早发现的m 7G帽依赖性扫描机制最为经典,但当细胞处于逆境,经典起始机制受到抑制时,其他类型的起始机制会将其替代以保证翻译的顺利进行。本文对目前已发现的真核生物mRNA不同翻译起始机制特别是经典起始机制的替代机制进行了综述,旨在为深入认识真核生物基因在翻译水平上的表达调控提供参考。
随着高通量测序技术的发展,环状RNA (circular RNAs, circRNAs)逐渐成为非编码RNA研究领域的热点。本文系统综述了环状RNA侧翼内含子自身互补配对驱动、RNA结合蛋白驱动以及套索驱动这3种环状RNA形成模型,并从高通量文库构建、生物信息学鉴别和常用的实验验证等3个方面对环状RNA的研究方法进行了介绍。同时,本文详细归纳了环状RNA作为microRNA (miRNA)或蛋白的海绵体、调控宿主基因的选择性剪接和表达、翻译成多肽等多种功能。最后通过系统综述植物环状RNA的特征及最新研究进展,为环状RNA在植物学中的进一步研究提供了新的视野。
随着测序技术的不断发展,越来越多物种的全基因组数据被测定和广泛应用。在二代基因组数据爆发式增长的同时,除了核基因组数据,线粒体基因组数据也非常重要。高通量测序的全基因组序列中除了核基因组序列也包括线粒体基因组序列,如何从海量的全基因组数据中提取和拼装线粒体基因组序列并加以应用成为线粒体基因组在分子生物学、遗传学和医学等方面的研究方向之一。基于此,从全基因组数据中提取线粒体基因组序列的策略及相关的软件不断发展。根据从全基因组数据中锚定线粒体reads的方式和后续拼装策略的不同,可以分为有参考序列拼装方法和从头拼装方法,不同拼装策略及软件也表现出各自的优势和局限性。本文总结并比较了当前从全基因组数据中获得线粒体基因组数据的策略和软件应用,并对使用者在使用不同策略和相关软件方面给予建议,以期为线粒体基因组在生命科学的相关研究中提供方法上的参考。
CRISPR/Cas9(clustered regularly interspaced short palindromic repeat/CRISPR-associated nuclease 9)技术是一种RNA引导的基因组靶向编辑技术,能对基因组序列进行精确编辑,在探究基因功能、修复受损基因、沉默有害基因、改良品质性状等方面具有广阔的应用前景。近年来,随着对CRISPR/Cas9系统研究的不断深入和改造,该系统以其操作简易、省时、高效等优点在生物学研究的众多领域中得以推广和应用,特别是在果蝇(Bombyx mori)、家蚕(silkworm)、埃及伊蚊(Aedes aegypti)和蝴蝶(butterfly)等多种昆虫中。本文概述了CRISPR/Cas9的结构、作用原理及发展优化,总结了CRISPR/Cas9导入昆虫的策略和在昆虫中的应用,以及对CRISPR/Cas9系统产生脱靶问题的应对策略,以期对经济昆虫和有益昆虫的分子育种、害虫的生物技术防控等研究提供参考。
减数分裂重组不仅保证了真核生物有性生殖过程中染色体数量的稳定,还通过父母亲本间遗传物质的互换在后代中产生遗传变异。因此,减数分裂重组是遗传多样性形成的重要途径,也是生物多样性和物种进化的主要动力。在绝大多数真核生物中,不管染色体数目的多少或基因组的大小,减数分裂重组的形成都受到严格的调控,但抑制减数分裂重组的分子机理目前仍不清楚。近年来,通过正向遗传学筛选鉴定出多个减数分裂重组抑制基因,揭示了抑制基因的功能和调控途径。本文基于拟南芥中减数分裂重组抑制基因的研究现状,综述了植物减数分裂重组抑制基因研究取得的突破性进展,并结合基因功能与其调控网络阐述了抑制植物减数分裂重组的分子机理。
基于CRISPR/Cas9系统介导的第三代基因组定点编辑技术,已被广泛应用于基因编辑和基因表达调控等研究领域。如何提高该技术对基因组编辑的效率与特异性、最大限度降低脱靶风险一直是该领域的难点。近年来,机器学习为解决CRISPR/Cas9系统所面临的问题提供了新思路,基于机器学习的CRISPR/Cas9系统已逐渐成为研究热点。本文阐述了CRISPR/Cas9的作用机理,总结了现阶段该技术面临的基因组编辑效率低、存在潜在的脱靶效应、前间区序列邻近基序(PAM)限制识别序列等问题,最后对机器学习应用于优化设计高效向导RNA (sgRNA)序列、预测sgRNA的活性、脱靶效应评估、基因敲除、高通量功能基因筛选等领域的研究现状与发展前景进行了展望,以期为基因组编辑领域的研究提供参考。
GATA6 (GATA binding protein 6)是GATA锌指转录因子家族成员之一,以其保守的结合基序(G/A)GATA(A/T) 而得名。GATA家族在脊椎动物细胞命运决定与分化、增殖和迁移以及内胚层和中胚层来源的器官发育中具有重要作用。GATA6作为谱系特化因子、染色质重塑因子、多能性因子和“先锋因子”,在内胚层肝脏谱系决定、肝脏特化、肝芽生长以及肝母细胞增殖分化等阶段发挥关键的调控作用。本文综述了GATA6在肝脏发育中的作用及其研究进展,以期为进一步研究 GATA6 等发育关键转录因子的功能及调控机制提供参考。
表观遗传学修饰包括DNA、RNA和蛋白质的化学修饰,基于非序列改变所致基因表达和功能水平变化。近年来,在DNA和蛋白质修饰基础上,可逆RNA甲基化修饰研究引领了第3次表观遗传学修饰研究的浪潮。RNA存在100余种化学修饰,甲基化是最主要的修饰形式。鉴定RNA甲基化修饰酶及研发其转录组水平高通量检测技术,是揭示RNA化学修饰调控基因表达和功能规律的基础。本文主要总结了近年来本课题组与合作团队及国内外同行在RNA甲基化表观转录组学研究中取得的主要前沿进展,包括发现了RNA去甲基酶、甲基转移酶和结合蛋白,揭示RNA甲基化修饰调控RNA加工代谢,及其调控正常生理和异常病理等重要生命进程。这些系列研究成果证明RNA甲基化修饰类似于DNA甲基化,具有可逆性,拓展了RNA甲基化表观转录组学研究新领域,完善了中心法则表观遗传学规律。
复杂基因组指的是无法使用常规测序和组装手段直接解析的一类基因组,通常指包含高比例重复序列、高杂合度、极端GC含量、存在难消除异源DNA污染的基因组。为了解决复杂基因组的测序和组装问题,需要分别从基因组测序实验方法、测序技术平台、组装算法与策略3个方面进行深入研究。本文详细介绍了复杂基因组测序组装相关的现有技术与方法,并结合复杂基因组经典实例介绍了复杂基因组测序的技术解决途径和发展历程,可为制订合适的复杂基因组测序策略提供参考。
天然嵌合基因(natural chimeric gene)是由两个或两个以上的独立基因天然融合而成的新基因,该类型基因的发现,突破了“一个基因对应一个染色体座位”的经典认知,扩展了基因的概念。在人类癌症研究过程中,诸多的嵌合基因可导致肿瘤相关疾病,并作为癌症分子的诊断标志而受到人们的广泛关注。本文基于嵌合基因生物信息学方面的相关研究,以癌基因为切入点,从天然嵌合基因的融合特点、转录、调控,以及融合蛋白的结构域组合形式和功能等方面,结合本研究组前期的相关工作,综述了嵌合基因融合结构和功能的研究进展,探讨了当前研究工作的困难与挑战,并对嵌合规律在新基因设计的应用作了展望。
随着测序技术的发展和全基因组序列的不断积累,全基因组关联研究(genome-wide association study, GWAS)在人类复杂疾病研究中取得了丰硕成果,10余年间发现了数以万计的疾病风险因子。同样,GWAS也为探索细菌表型的遗传机制提供了新的工具。自2013年第一项细菌GWAS(bacterial GWAS, BGWAS)工作发表以来,目前已有10多项相关研究报道,分别揭示了细菌宿主适应性、耐药性及毒力等表型的遗传机制,极大加深了人们对细菌遗传、进化及传播等方面的认识。本文对目前BGWAS的研究方法、应用成果及存在的问题进行了总结,并对BGWAS的研究前景进行了展望,旨在为微生物学领域开展BGWAS研究提供参考。
在长期进化过程中,昆虫形成了强大的天然免疫防御系统,即体液免疫和细胞免疫。体液免疫主要包括Toll、IMD和JAK/STAT 3条信号通路,通过信号转导及免疫途径调控免疫相关基因的表达,诱导产生抗菌肽和其他效应分子。细胞免疫由血细胞介导,主要完成对病原物的包裹、吞噬和集结等。近年来,昆虫基因组学快速发展,通过生物信息学等方法从昆虫基因组数据中已鉴定到大量免疫相关基因,对这些基因的研究加深了人们对昆虫天然免疫分子机制的认识和理解。根据基因功能,免疫相关基因分为识别、信号转导、调制器、效应分子、黑化反应、RNA干扰和其他基因等7类,这些基因通过互作来调控体液免疫和细胞免疫。本文对昆虫免疫相关基因的分类、功能及家族进化等方面的研究成果进行总结,并对今后昆虫免疫的研究重点进行了展望,以期为昆虫免疫分子机制的研究及开发新的害虫防治策略提供依据。
骨骼肌是维持机体功能必不可少的组织,与家养动物的产肉率等重要经济性状密切相关。近年来,高通量测序鉴定了大量与骨骼肌生成相关的长链非编码RNA (long non-coding RNA, lncRNA),它们可作为调节因子在表观调控、转录调控以及转录后调控等多个层面调控基因表达。lncRNA通过靶向关键因子参与调控骨骼肌发育的各个环节,包括骨骼肌干细胞增殖、迁移、分化,成肌细胞增殖、分化、肌管融合,肌纤维肥大和纤维类型转换等过程。本文重点归纳了lncRNA在人和小鼠骨骼肌发育中的分子调控机制,介绍了lncRNA的研究方法,综述了lncRNA在家养动物骨骼肌发育中的研究进展,分析了目前家养动物lncRNA研究所面临的困难和挑战,最后展望了未来家养动物lncRNA研究的方向,以期为进一步阐明骨骼肌生长发育的分子调控机制提供参考。
基因组编辑技术能够精确靶向修饰生物体基因组特定位点、人为改造生物遗传信息。自21世纪初,基因组编辑技术得到迅猛发展,锌指核酸酶(zinc finger nucleases, ZFN)、转录激活样受体因子(transcription- activating-like receptor factor, TALEN)和成簇的规律间隔短回文重复序列及其相关系统(clustered regularly interspaced short palindromic repeats/Cas endonucleases, CRISPR/Cas)3种新型基因组编辑系统先后诞生。基因组编辑技术能对生物体内源基因进行精确靶向修饰,被广泛应用于生物医学研究领域。猪与人类亲缘关系接近,在生理特征与病理病程等诸多方面与人类具有相似性,是人类疾病动物模型与异种器官移植研究的重要对象。本文主要介绍了ZFN、TALEN和CRISPR/Cas9 3种基因组编辑技术的发展概况与作用机理,综述了基因编辑猪在人类疾病模型、器官移植与人源化器官培育等生物医学领域里的最新研究进展,并对基因编辑猪的应用前景进行了展望。
锌(zinc, Zn)和铁(iron, Fe)是水稻(Oryza sativa L.)生长必需的矿质元素,也是人体必需的微量元素。水稻体内Zn、Fe含量维持在适宜水平有利于提高其产量和品质,提高稻米中Zn、Fe含量能够在一定程度上解决人体Zn、Fe营养缺乏的问题。因此,研究水稻中Zn和Fe等微量元素转运蛋白的具体功能对于提高水稻产量和稻米品质具有重要意义。锌铁转运蛋白(zinc-regulated transporters and iron-regulated transporter-like protein, ZIP)负责Zn和Fe等离子的吸收、转运和分配,是维持水稻中Zn和Fe平衡的重要转运蛋白,其表达水平受Zn和Fe水平影响。ZIP基因家族在自然群体中具有丰富的等位变异,而且某些单倍型存在明显的籼粳分化,这可能造成了不同品种间籼、粳稻中Zn和Fe积累的差异。目前,已有大量关于ZIP基因家族的研究,但只有OsZIP3的作用机制研究的较为清楚。另外,对Zn、Fe在籽粒中的积累机制研究和自然群体中ZIP基因的等位变异研究还不够深入。因此,ZIP转运蛋白家族仍存在较大的研究空间。本文详细介绍了ZIP转运蛋白在水稻体内的亚细胞定位、表达模式、转运机制以及在自然群体中的等位变异等,以期为研究水稻稻米微量元素的积累提供理论基础,为提高稻米品质提供借鉴。
病原菌在宿主细胞内的持留分子机理是目前研究的热点和难点。病原菌的抗酸能力与此密切相关。结核分枝杆菌感染导致的结核病仍然是全球公共卫生的重大威胁,这与结核分枝杆菌抗酸并在宿主巨噬细胞内持留有关。结核分枝杆菌抗酸主要通过调控质子进出、代谢调控胞内酸碱平衡和双组份信号系统调控。本文综述了结核分枝杆菌在酸胁迫下的整体调控网络,阐述了在酸性环境中结核分枝杆菌的具体调控机理,旨在为持留结核分枝杆菌的治疗提供新的全局性思路,寻找新的结核病防控靶标。
东亚是研究解剖学意义上现代人迁徙和演化的重要地带之一,该地区现代人群的起源及形成问题一直都是人类学领域广泛关注的焦点。遗传学研究为重建东亚人群历史提供了新的视角和见解。越来越多的遗传学证据表明,现代人约20万年前起源于非洲的晚期智人,并于10万年前走出非洲,大约在5~6万年前沿海岸线快速到达东亚南部,进而扩散到整个东亚地区。早期智人可能对走出非洲的现代人有一定程度的遗传贡献。早期定居、文化同化、人群迁徙以及基因交流等,对东亚人群的起源和演化起着至关重要的作用。前期的研究对东亚人群的源流历史进行了细致的分析,很大程度上解决了考古学、历史学等领域长期以来存在的分歧,然而这还需通过全基因组学和古DNA研究的进一步验证。本文从遗传学视角梳理和总结了东亚人群起源、迁徙和演化的历史,完善了对东亚人群演变的系统认识,并对未来东亚人群源流历史研究的发展方向做了展望。
阿维菌素(avermectins)是由微生物发酵生产的高效低毒生物杀虫剂,在粮食安全、农产品安全、畜牧业和医药健康等领域具有重大意义。其衍生物伊维菌素(ivermectins)可有效治疗河盲症,帮助超过2亿非洲人幸免于失明。我国的阿维菌素产业利用遗传学改造手段深入挖掘微生物的潜能,大幅度提高了底物利用率、目标产物得率和反应器产率,打破了美国默克公司的产品垄断,从无到有,从弱到强,直至独占全球市场。阿维菌素的生物“智”造不但成为实验室技术向产业成功转化的典范,为其他微生物天然产物药物的研发提供了可借鉴的策略和方法,而且得到广泛的国际认可。本文介绍了阿维菌素的发现、基础及应用研究的发展历程,尤其是中国“智”造的历史沿革,旨在为我国微生物药物的产业化发展提供参考和借鉴。
内耳是感受听觉和平衡觉的复杂器官。在内耳发育过程中,成纤维生长因子(fibroblast growth factor, FGF)信号通路参与了听基板的诱导、螺旋神经节(statoacoustic ganglion, SAG)的发育以及Corti器感觉上皮的分化。FGF信号开启了内耳早期发育的基因调控网络,诱导前基板区域以及听基板的形成。正常表达的FGF信号分子可促进听囊腹侧成神经细胞的特化,但成熟SAG神经元释放的过量FGF5可抑制此过程,形成负反馈环路使SAG在稳定状态下发育。FGF20在Notch信号通路的调控下参与了前感觉上皮区域向毛细胞和支持细胞的分化过程,而内毛细胞分泌的FGF8可调控局部支持细胞分化为柱细胞。人类FGF信号通路异常可导致多种耳聋相关遗传病。此外,FGF信号通路在低等脊椎动物毛细胞自发再生以及干细胞向内耳毛细胞诱导过程中都起到了关键作用。本文综述了FGF信号通路在内耳发育调控以及毛细胞再生中的作用及其相关研究进展,以期为毛细胞再生中FGF信号通路调控机制的阐明奠定理论基础。
环状RNA (circRNA)是一类由mRNA前体经反向可变剪切而来的共价闭合且保守的单链转录本,通过miRNA海绵功能、干扰可变剪切、结合蛋白等方式调控源基因及线性mRNA的表达。测序结果显示,circRNA广泛存在于不同的植物体内,通过细胞类型特异性表达以及组织特异性表达参与花发育、果实成熟、逆境响应等多个生命过程,在植物发育过程中发挥着重要作用。本文综述了植物circRNA的形成机制、鉴定方法、数据库、表达模式以及潜在的生物学功能,通过与动物相关研究结果的比较,概括了植物circRNA的结构特征和调控潜能,以期为植物circRNA研究提供参考。
以CRISPR/Cas9技术为代表的基因组编辑在生物领域的革命性应用使得生命科学研究迈入新篇章。该技术以其灵活性、易用性且扩展性强等优势,大大加快了基因工程研究,也加速了植物分子育种的步伐。但是,遗传转化过程中产生大量潜在的基因编辑植株,使得早期高通量快速筛选和检测目标编辑植株面临很大挑战。本文综述了近年来植物基因组编辑检测的各种方法,比较了其优缺点和适用范围;同时,还对近几年植物基因组编辑检测方法的发展趋势进行了深入分析和展望,以期对基因组编辑技术在植物中的应用提供参考。
单细胞全基因组扩增(whole genome amplification, WGA)是指在单细胞水平对全基因组进行扩增的新技术,其原理是将分离的单个细胞的微量全基因组DNA进行扩增,获得高覆盖率的完整的基因组后进行高通量测序,用于揭示细胞异质性。目前,WGA方法主要包括引物延伸预扩增(primer extension preamplification PCR, PEP-PCR)、简并寡核苷酸引物PCR (degenerate oligonucleotide primed PCR, DOP-PCR)、多重置换扩增(multiple displacement amplification, MDA)、多次退火环状循环扩增(multiple annealing and looping-based amplification cycles, MALBAC)等。本文对不同的单细胞WGA方法的原理及应用情况分别进行了阐述,并对其扩增效率进行评价和比较,包括基因组覆盖度、均一性、重现性、SNV (single-nucleotide variants)和CNV (copy number variants)检测力等。综合对比不同单细胞WGA方法后发现,MALBAC的扩增均一性最高、等位基因脱扣率最低、重现性最好,且对于CNV和SNV的检测效果最好。本文还阐述了MALBAC技术在人类单精子减数重组、非整倍体分析以及人类卵细胞基因组研究中的应用。
近几十年是干细胞领域飞速发展的重要时期。随着中国经济实力的发展壮大,科研实力也在稳步增强,干细胞研究领域达到了国际并跑甚至领跑的水平。本文从体细胞核移植、诱导多能干细胞、单倍体多能干细胞和胚胎早期发育研究4个方面,对中国细胞重编程和干细胞领域的研究进展进行了历史性回顾,总结了中国科学家在相关领域所取得的重要科研成果。随着单细胞测序技术的发展,各种发育过程将实现更为深入的解读,干细胞的临床应用在中国也会大放异彩。
表观遗传修饰异常见于人类的多种疾病(如肿瘤、老年性疾病、发育源性疾病等),影响着这些疾病的发生发展。已有的研究表明,异常表观遗传改变可以作为疾病状态和疾病预测的生物标志物。表观遗传修饰改变的可逆性和可控性也为疾病早期的预防和治疗提供了新策略。本文对DNA甲基化修饰、组蛋白共价修饰、非编码RNA等三种表观遗传方式在肿瘤、老年性疾病和发育源性疾病的研究,以及三者作为表遗传生物标志物在疾病早期诊断和治疗的应用展开介绍,以期为肿瘤、老年性和发育源性相关疾病的诊断与治疗提供借鉴和 参考。
唐氏综合征(Down syndrome, DS)是最常见的常染色体异常疾病,由人类21号染色体(human chromosome 21, Hsa21)的重复引起。由于Hsa21的直系同源基因分散于小鼠16、17和10号染色体上,所以用小鼠模拟人类唐氏综合征并不容易。早期的Ts65Dn小鼠虽然具有DS表型特征,但其重复片段由电离辐射产生,未包含所有Hsa21直系同源基因。2004年,Cre/LoxP重组酶系统介导的染色体编辑技术在Ts1Rhr小鼠中的成功应用,解决了特定片段重复化的难题,使DS小鼠模型在基因重复和表型模拟方面实现了精准化。本文从同源基因重复和DS表型模拟两方面简要介绍了不同时期DS小鼠模型的优势和局限,为科研人员在DS研究中对不同小鼠模型的选用提供了参考。
