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。

代谢组作为生命科学研究的5个层面(基因组、转录组、蛋白质组、代谢组和表型组)之一越来越受到科研工作者的关注。色谱-质谱联用技术由于其高分离能力、高灵敏度等优点在代谢组学(定性和定量)领域发挥重要的作用,基于色谱-质谱联用技术的代谢组学已成功应用于代谢表型差异研究、基因功能鉴定和转基因生物安全性评价等多个研究方向。本文以中国科学院遗传与发育生物学研究所代谢组学平台为例,详细介绍了现代代谢组学平台色谱-质谱联用仪器的硬件组成,以及不同技术平台在现在系统生物学研究中的具体应用。

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。

2019年12月在中国武汉开始爆发的新型肺炎已造成全球25个国家/地区的31516人感染、638人死亡(截止2020年2月7日16时),引起该肺炎的病毒被世界卫生组织命名为2019新型冠状病毒(2019-nCoV)。为促进2019-nCoV数据共享应用并及时向全球公众提供病毒的相关信息,国家生物信息中心(CNCB)/国家基因组科学数据中心(NGDC)建立了2019新型冠状病毒信息库(2019nCoVR,https://bigd.big.ac.cn/ncov)。该信息库整合了来自德国全球流感病毒数据库、美国国家生物技术信息中心、深圳(国家)基因库、国家微生物科学数据中心及CNCB/NGDC等机构公开发布的2019-nCoV核苷酸和蛋白质序列数据、元信息、学术文献、新闻动态、科普文章等信息,开展了不同冠状病毒株的基因组序列变异分析并提供可视化展示。同时,2019nCoVR无缝对接CNCB/NGDC的相关数据库,提供新测序病毒株系的基因组原始测序数据、组装后序列的在线汇交、管理与共享、国际数据库同步发布等数据服务。本文对2019nCoVR数据汇交、管理、发布及使用等进行全面阐述,以方便用户了解该信息库各项功能及数据状况,为加速开展病毒的分类溯源、变异演化、快速检测、药物研发以及新型肺炎的精准预防与治疗等研究提供重要基础。

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。

Hypoxanthine-guanine phosphoribosyltransferase1 (HPRT1)基因突变会导致次黄嘌呤和鸟嘌呤代谢异常,严重的代谢障碍被称为Lesch-Nyhan综合征,表现为智力低下,行为上出现强迫性自我毁伤,并伴随痛风或肾结石等症状。HPRT1基因具有多种突变模式,近年来对其突变谱的研究表明该基因具有一些“突变热点”。本研究选取了导致翻译提前终止的热点突变c.508C>T突变和c.151C>T突变,在HEK293T和HeLa细胞中,以单链寡核苷酸(single-stranded oligo-deoxyribonucleotides, ssODN)作为同源重组模板,利用CRISPR/Cas9技术构建了这两种突变的单克隆细胞株,发生定点突变的效率分别为16.3%和10%。进一步通过Western blot检测点突变的单克隆细胞的HPRT1蛋白表达水平,通过6-TG毒性实验检测点突变的单克隆细胞的次黄嘌呤/鸟嘌呤磷酸核糖转移酶活性,结果表明纯合突变的单细胞克隆不能正常表达HPRT1蛋白,其次黄嘌呤/鸟嘌呤磷酸核糖转移酶活性丧失;杂合突变的单细胞克隆的HPRT1蛋白表达量降低,仍具有部分次黄嘌呤/鸟嘌呤磷酸核糖转移酶活性。HPRT1基因定点突变细胞模型的建立可为今后建立其他HPRT1基因突变的细胞系或动物模型提供借鉴,为研究Lesch-Nyhan致病机制提供基础。

染色体的空间交互作用被视为影响基因表达调控的重要因素,高通量染色体构象捕获(high-throughput chromosome conformation capture, Hi-C)技术已成为3D基因组学中探索染色体空间交互作用的主要实验手段之一。随着Hi-C样本数据的持续累积以及分析处理流程复杂度的不断提升,基于生物信息学的Hi-C数据分析对探究基因表达的时空调控机制而言,是机遇也是挑战。本文从生物信息学角度,综合阐述了Hi-C的国内外研究现状及发展动态,包括数据标准化、多级结构分析、数据可视化以及三维建模,重点剖析了多级结构中的A/B区室(A/B compartments)、拓扑相关域(topological associated domains, TADs)和染色质环(chromain looping),在此基础上分析了该方向未来可能的研究热点及发展趋势,以期为将基因表达调控的探索从传统线性空间进一步拓展到三维结构空间提供支持。

以CRISPR-Cas (clustered regularly interspaced short palindromic repeats and CRISPR associated proteins)系统为代表的基因编辑技术的出现极大地促进了人类改造自然界物种的能力。在医疗、工业、农业等多个研究领域,基因编辑技术正在被广泛应用。Cas蛋白是CRISPR-Cas系统的功能蛋白,不同类型的Cas蛋白在其自身活性、识别位点、切割末端、RNA需求等方面具有不同的特性。PAM (protospacer adjacent motif)是靶位点附近的若干个碱基,对Cas蛋白识别靶序列至关重要,也是CRISPR-Cas系统发挥功效的关键特性之一。目前已有多种不同的PAM鉴定方法被报道。本文对Cas蛋白的寻找、Cas蛋白突变体筛选及PAM的确定方法(含PAM谱拓展)进行了综述,以期为新型基因编辑工具的发展和优化提供借鉴。

单细胞RNA测序(single-cell RNA sequencing, scRNA-seq)技术已经成为不同领域中研究细胞异质性的有效工具。在病毒研究领域中,利用该技术分析病毒和细胞的转录组,可以在单细胞水平上检测病毒感染的动态变化,了解病毒与细胞间复杂的相互作用。本文简述了scRNA-seq技术,着重介绍病毒感染宿主细胞后scRNA-seq研究的最新进展,同时也描述了细胞周期、基因表达、细胞状态等细胞异质性对病毒感染过程的影响,以及病毒变异对其本身感染过程的影响。此外,本文还分析了scRNA-seq在研究病毒-宿主互作动态变化方面具有的独特优势,及其在病毒研究领域中广阔的应用前景,为揭示病毒的感染与致病机制、抗病毒靶标的开发等提供参考。

作物驯化和遗传改良对于产量性状的过分追求常导致其抗逆性和遗传多样性的降低,在全球气候变化加剧和自然灾害频发的大背景下,该效应使得世界粮食稳产和食物安全面临威胁,亟需创新育种策略。作物重新设计与快速驯化是指选用耐逆、品质营养等性状或其他目标性状优异的野生或者半野生植物,综合运用基因组学、基因编辑和合成生物学等方法,对其农艺性状进行重新设计,在保持其原有优异性状的前提下,快速驯化获得新型作物的全新育种策略。本文回顾了作物驯化的发展历程及其对农业发展和人类文明的贡献,着重阐述了育种策略创新的紧迫性,并对作物重新设计与快速驯化创造新型作物的可行性、最新进展和发展前景进行探讨和展望。

随着高通量测序技术和翻译组学研究的快速发展,对环状RNA (circular RNA, circRNA)翻译能力的研究日益成为热点。已有研究表明,circRNA自身可以翻译为蛋白,其蛋白功能与人类疾病发生发展有着密切联系,而且其有望成为mRNA的理想替代品,未来可被广泛地应用在蛋白质工程。本文系统综述了circRNA来源、形成方式和主要特征、翻译蛋白的方式、翻译能力的鉴定和功能验证,归纳了近年来circRNA翻译在人类疾病中的研究进展及其在蛋白质工程的应用,并对后续研究关注的问题进行了展望,以期为相关领域的研究提供参考。

CRISPR/Cas9系统是一种近年来被广泛应用于基因组编辑的强大工具。通过将CRISPR/Cas9系统中的Cas9蛋白突变后,使其失去剪切活性而成为dCas9 (nuclease-dead Cas9),再结合基因功能丧失(loss-of-function, LOF)、基因功能激活(gain-of-function, GOF)以及非编码功能基因鉴定技术即可实现全基因组高通量的功能基因及调控元件靶向鉴定和筛选。目前,该技术已被广泛应用于疾病免疫机理、药物靶点筛选和动物遗传育种等研究,为生命医学和基础科学带来了全新高效的技术方法和研究思路。本文综述了基于CRISPR/Cas9技术在全基因组中高通量筛选功能基因及调控元件的方法及研究进展,重点阐述了CRISPR/Cas9系统在动物细胞中筛选功能性基因的方法,以期为基因编辑及相关研究领域提供参考。

随着许多重要作物及植物全基因组测序的完成,科研人员对高通量、精准、无损伤获取植物表型信息的需求日益增加,功能完善的研究设施将成为推动表型组学发展的加速器。在此背景下,中国科学院遗传与发育生物学研究所植物细胞与染色体工程国家重点实验室于2017年初建设了植物表型组学研究平台(Plant Phenomics Analysis Platform, PPAP)。目前,该平台已建设成为国内采集分析植物表型信息相对较全面的研究设施之一,集成可见光成像、红外成像、近红外成像、根系近红外成像、荧光成像、叶绿素荧光成像、高光谱成像及激光雷达成像8个数据采集单元。在此基础上,该平台同时建立了根系表型采集分析技术、穗部性状采集分析及抗逆性状采集分析技术体系等。植物表型组学研究平台是公共服务平台,致力于为国内外从事植物研究的科研人员提供各类表型采集分析服务,包括但不限于地上部表型分析、根系表型可视化及分析等。

在真核细胞中,DNA序列以染色质为载体,高度凝缩并存储于细胞核内,其复制、修复和转录表达等过程受到染色质构象的精准调控。越来越多的研究表明,特定的染色质构象可选择性激活或沉默基因,从而控制细胞自我维持或定向分化,决定细胞的组织特异性和细胞命运。因此,对染色质构象的深入研究已成为准确解析基因功能的一个关键切入点,也是当前基因组学研究所面临的一个巨大挑战。本文对染色质构象的研究历史、结构特征、动态调控机制进行了综述,并重点论述了不同维度构象特征对基因转录调控的影响,对该领域的研究难点进行了讨论,展望了其未来的发展方向,期望通过有效梳理染色质构象与基因调控之间的脉络关系,为未来该领域的研究提供参考。

由于社会角色的转变,女性生育延迟现象明显。女性卵巢功能一般从35岁时开始下降,主要表现为卵泡数量减少和卵母细胞质量下降。目前临床上对于卵巢功能低下的诊断主要依据血清卵泡刺激素(follicle stimulating hormone, FSH)、血清抗苗勒氏管激素(anti-Müllerian hormone, AMH)、窦卵泡计数、年龄、月经和抑制素B等指标。目前研究发现,伴随年龄的增加,女性卵巢内细胞会出现线粒体功能失调、染色质短缩、DNA修复减少、表观遗传学改变和代谢失序。本文在简要介绍卵巢功能低下临床诊断的基础上,对衰老导致卵巢功能低下的相关因素进行了总结,并深入探讨了其发生的分子机制及潜在的干预靶点,以期为有效改善高龄女性的卵巢功能提供思路。

遗传力是数量遗传学中衡量性状遗传变异的重要参数之一,对动植物遗传育种、医学和进化生物学均具有重要意义。自1918年Fisher提出方差组分剖分思想后,遗传力的分析模型和估计方法不断迭代更新。近年来,一些研究者在研究肠道微生物与宿主表型关系的热点问题中,引入类似于遗传力的概念和估计方法,系统评估动物机体性状表现受肠道微生物因素的影响程度,本文将这一参数(microbiability,m ²)译为“肠菌力”。文章简要介绍了遗传力估计的发展历程,概述了肠道菌群与宿主基因组的复杂关系,重点阐释了肠菌力的概念和估计方法,以期为肠道微生物组塑造宿主表型变异的研究提供一定的借鉴和参考。

脑发育相关疾病是一类影响大脑或中枢神经系统生长和发育的疾病。常染色体隐性遗传小头畸形(autosomal recessive primary microcephaly, MCPH)是一种神经系统发育障碍疾病,病人主要表现为头围减小,并伴随一定程度的智力衰退。迄今为止已发现至少有25个基因突变都会导致MCPH,根据它们发现的顺序分别命名为MCPH1~25。MCPH蛋白作为重要的成份参与调控大脑发育相关信号通路。本文对目前发现的25个MCPH相关蛋白的表达模式、细胞定位、分子生物学功能、表型及动物模型进行了综述,旨在提升人们对脑发育相关疾病的致病机制的认知,促进对神经元生成、脑尺寸大小及脑功能调控等分子机制的研究。

代谢组学是依赖灵敏、稳定的分析流程和数据库,利用色谱-质谱联用、核磁共振技术对生物体内以及生物样品所有的小分子代谢物进行鉴定和定量分析的学科,在医学、食品科学、畜牧学、植物学等领域得到广泛应用。代谢组学方法可将代谢物种类和含量的变化与生物表型变化建立更直接的联系,因此代谢组学逐渐成为继基因组学、转录组学、蛋白组学后对复杂性状系统解析的新的研究手段。本文介绍了代谢组学常用分析策略、检测平台和常用数据库。在此基础上,综述了代谢组学在农业动物重要经济性状代谢分子鉴定、疾病诊断、肉品质及动物制品安全检测等领域取得的进展,并总结了利用代谢组学、转录组学和基因组学等多组学研究在动植物重要性状的发育、形成和解析等领域取得的最新成果。代谢组学与其他多组学方法整合分析,可以更全面地阐述各类复杂性状的遗传机制,有助于完善“突变-基因-表达-代谢-表型”的完整生物学过程,为复杂性状的机理解析提供新方法,为新型农业育种提供新思路。

小麦是世界上广泛种植的主要粮食作物,养活了全世界35%以上的人口。获取高质量的基因组图谱对于推动小麦基础理论和遗传育种研究至关重要。然而,庞大而复杂的基因组一度使小麦基因组测序被认为是“不可能完成的任务”。随着高通量测序和组装技术的成熟,近年来多个小麦基因组序列图谱陆续发布,序列组装质量日臻完善。仅最近两年就公布了5个不同倍性的小麦参考基因组序列,包括两个二倍体祖先种乌拉尔图小麦(Triticum urartu, AA)和粗山羊草(Aegilops tauschii, DD)、野生和栽培四倍体二粒小麦(T. turgidum ssp. dicoccoides, BBAA)和六倍体普通小麦(T. aestivum, BBAADD)。其中,作为多倍体小麦A亚基因组供体的乌拉尔图小麦基因组测序和分析是由中国科学院遗传与发育生物学研究所牵头完成。本文主要对小麦A基因组的结构解析和进化分析等方面的研究进展进行了综述,以期为相关领域的科研人员提供参考信息,促进小麦的基础和应用研究。

线粒体是细胞物质代谢与能量代谢的中心,在多种生理和病理过程中扮演着重要角色。表观遗传修饰是一种独立于DNA序列并在建立与维持特定基因表达谱中发挥主要作用的遗传调控模式。近年来的研究表明,线粒体能量代谢通过中间产物,介导线粒体-核信号的传递,调节染色质的表观修饰状态,进而影响基因表达。线粒体代谢紊乱可以诱导表观遗传重编程,进而启动衰老表型及退行性疾病的发生。本文综述了线粒体代谢与染色质表观遗传修饰关系的研究进展,探讨了线粒体应激在染色质重组中发挥的作用,展望了其在认知功能障碍等衰老相关性疾病研究中的前景。

基于新抗原的肿瘤免疫治疗,抗原呈递的准确预测是筛选T细胞特异性表位的关键步骤。质谱鉴定的表位数据对建立抗原呈递预测模型具有重要价值。尽管近年来质谱数据的积累持续增加,但是大部分人类白细胞抗原(human leukocyte antigen, HLA)分型所对应的多肽数量相对较少,无法建立可靠的预测模型。为此,本研究尝试利用迁移学习的方法,先利用混合分型的表位数据建立模型以识别抗原表位的共同特征,在此预训练模型的基础上再利用分型特异性数据建立抗原呈递预测模型Pluto。在相同的验证集上,Pluto的平均0.1%阳性预测值(positive predictive value, PPV)比从头训练的模型高0.078。在外部的质谱数据独立评估上,Pluto的平均0.1% PPV为0.4255,高于从头训练模型(0.3824)和其他主流工具,包括MixMHCpred (0.3369)、NetMHCpan4.0-EL (0.4000)、NetMHCpan4.0-BA (0.3188)和MHCflurry (0.3002)。此外,在免疫原性预测评估上,Pluto相对于其他工具也能找到更多的新抗原。Pluto开源网址：https://github.com/weipenegHU/Pluto。

染色质转座酶可及性测序(assay for transposase-accessible chromatin with high-throughput sequencing, ATAC-seq)诞生于2013年,具有比脱氧核糖核酸酶I超敏感位点测序(deoxyribonuclease I hypersensitive site sequencing, DNase-seq)和微球菌核酸酶敏感位点测序(micrococcal nuclease sequencing, MNase-seq)更快速、灵敏、简便的优点,是目前分析全基因组范围染色质开放区域的热点技术。通过该技术能获得染色质开放区域的相关信息,从而映射出转录因子等调控蛋白的结合区域和核小体定位等信息,对于研究表观遗传分子机制具有重要意义。本文比较了5种获取染色质开放区域技术的优缺点,重点介绍了ATAC-seq的原理和主要流程,描述了利用ATAC-seq技术研究染色质开放区域的发展概况以及ATAC-seq的相关应用,期望对真核生物全基因组水平的染色质开放区域研究、顺式调控元件鉴定以及遗传调控网络的解析等提供借鉴。

由于植物细胞内同源重组频率较低、供体传递受限等原因,对植物基因组进行精准编辑十分困难。近期,中国科学院遗传与发育生物学研究所高彩霞团队构建了适用于植物的引导编辑器(plant prime editor, PPE)系统,并在重要作物水稻和小麦中完成了引导编辑。该系统不产生DNA双链断裂,仍可高度准确实现所有可能的12种单碱基替换、多碱基替换及片段缺失插入,从而为植物基因组精确编辑提供了多用途工具。本文介绍了PPE的组成结构和编辑能力,同时也结合其他研究组随后发表的报告综述了植物引导编辑器的优化探索,为合理使用PPEs和继续开展优化工作提供帮助。

近年来,随着生长性状和饲料转化率的提高,中国地方品种肉鸡腹脂率不断增加,大大降低了肉鸡的品质。过多的腹脂沉积不仅降低了肉鸡的屠宰率和抗病力,而且由于脂肪较难处理,导致其被随意丢弃,污染环境。为了挖掘与中国地方品种肉鸡腹脂沉积相关的基因和调控通路,本研究对杏花鸡分别进行高脂和普通饲料的喂养,检测腹脂沉积情况,并利用转录组测序检测高脂饲养对肝脏和腹脂组织中基因表达的影响。结果表明,喂养两周后高脂组肉鸡腹脂重和腹脂率显著增加,且腹脂细胞的直径和面积也显著增大。对两组鸡的腹脂和肝脏进行转录组测序,发现在腹脂中显著差异表达基因主要富集于细胞周期通路、PPAR (peroxisome proliferator- activated receptor)信号通路和ECM (extracellular matrix)受体信号通路中;而在肝脏中,显著差异表达基因同样显著富集于细胞周期通路中,同时也显著富集于类固醇生物合成和PPAR信号通路中。通过分析腹脂和肝脏组织中共同差异表达的基因,发现这些基因同样显著富集于细胞周期中。进一步以鸡肝癌细胞系LMH (chicken hepatoma cell)细胞和鸡前脂肪细胞系ICP (immortalized chicken preadipocytes)细胞进行体外验证,利用高脂培养基和普通培养基进行培养,结果发现48 h后,高脂培养基可显著促进细胞周期进程,增加处于S期的细胞数。同时,qRT-PCR结果发现高脂培养基可显著促进细胞周期相关基因的表达。综上所述,本研究通过基因表达差异分析,发现高脂饲养可能通过激活鸡脂肪组织的细胞周期来促进前脂肪细胞增殖,进而增加腹脂沉积。该研究结果为进一步了解优质肉鸡腹脂沉积的机制提供了理论依据。

染色质转座酶可及性测序(assay for transposase-accessible chromatin with high-throughput sequencing,ATAC-seq)是利用Tn5转座酶研究染色质可及性的高通量测序技术。ATAC-seq可以在全基因组范围内绘制染色质可及性图谱,揭示转录因子结合位点以及核小体的位置。在医学领域,ATAC-seq技术是研究重大疾病发病机制、药物作用机制、新药研发和生物标志物功能等的新一代有力工具。本文对ATAC-seq技术的优势及其在复杂疾病研究中的应用和前景进行了综述,以期为人类复杂疾病基因表达调控机制等相关研究的开展提供借鉴与参考。

乳腺癌是起源于乳腺各级导管和乳腺上皮细胞,由增生到不典型增生而逐步发展成原位癌、早期浸润癌至浸润性癌的一种恶性肿瘤。传统高通量测序技术对乳腺癌的研究主要是鉴定与乳腺癌发生发展相关的“驱动基因”,但是对于乳腺癌基因组结构变化以及亚克隆的鉴定等存在一定的局限性,并且忽略了乳腺癌肿瘤细胞之间的异质性。近年来兴起的单细胞测序技术是以单个细胞为研究对象,对基因拷贝和基因表达等数据进行分析,探究乳腺癌的细胞组成、细胞状态和细胞命运,绘制乳腺癌生态系统图谱,对临床患者进行精准分层,为实现个体化治疗提供支持。同时,还可以揭示乳腺癌与T细胞、巨噬细胞等免疫细胞间的相关性,为发现乳腺癌新的治疗靶点、免疫检查点等提供参考。本文对单细胞测序技术及其在乳腺癌研究中的应用和研究进展进行了综述,以期为单细胞测序技术的进一步发展提供参考,同时为理解乳腺癌的发病机制和免疫治疗提供基础支持。

SMARCAL1是属于SWI/SNF (SWItch/Sucrose Non-Fermentable)相关、基质相关和激动蛋白依赖的染色质调节因子家族成员ATP驱动的DNA退火解旋酶。SMARCAL1在体外和体内能催化单链结合蛋白RPA结合的DNA单链与其互补链退火成双链DNA。人Smarcal1基因的突变与Schimke免疫骨性发育不良(Schimke immuno-osseous dysplasia, SIOD)所能表现出的临床症状呈高度相关。本文对SMARCAL1在DNA损伤部位DNA复制叉的重塑、在DNA双链断裂(double-stranded DNA, dsDNA)处参与经典的非同源末端连接(non-homologous end joining, NHEJ)修复,以及在人染色体端粒完整性维护等方面的作用与机制进行了梳理,对Smarcal1基因突变类型与SIOD症状之间的对应关系进行了更新,并对SMARCAL1在三核苷酸重复序列扩增关联的神经-肌肉退行性病变过程中的可能作用进行了分析和讨论,旨在更好地理解该退火解旋酶在维持基因组稳定中的作用和机制。

植物的各项生命活动与其根系微生物组密不可分,且根系微生物组的组成易受到植物生长环境和基因型的影响。为进一步探究中国北方地区种植的不同品种水稻根系微生物组的差异及其相互作用机制,本研究以种植于北京昌平和上庄农场的水稻典型品种日本晴(Nipponbare)和IR24为研究对象,基于16S rRNA基因扩增子测序技术获得根系微生物组序列,利用多样性分析、组成型分析、机器学习的随机森林和网络分析等方法,对旺盛生长期的两种不同品种的水稻根系微生物组进行详细比较。研究发现,种植地点和水稻基因型显著影响了水稻根系微生物组的群落结构,不同基因型导致了根系微生物组在物种分类组成上以及细菌间相互关系的差异,而且根系微生物组能作为生物标记跨地点区分宿主的基因型。本研究结果为深入理解我国北方种植的水稻根系微生物组的组成规律以及从根系微生物与植物互作的角度对品种进行改良提供了数据和理论基础。

大脑发育是一个极其复杂又被精确调控的过程,主要包括神经前体细胞增殖和分化、神经元迁移和形态发生(包括轴、树突发育)、突触形成与修剪、轴突髓鞘化、神经网络的形成与重塑等过程,最终形成功能完善的神经系统。其中的任何过程出现问题都有可能导致大脑发育异常,造成大脑功能障碍,即脑发育疾病。儿童脑发育疾病在医疗总负担中占比最高,因此被广泛关注。脑发育疾病通常被划分为两类：一类以大脑形态结构异常为指标,即大脑皮层发育畸形(malformation of cortical development, MCD);另一类以大脑功能障碍为指标,即神经精神疾病(neuropsychopathy)。大脑皮层发育畸形中的小颅畸形(microcephaly)和神经精神疾病中的孤独症谱系障碍(autism spectrum disorder, ASD)这两种疾病具有许多共同之处,例如小颅畸形致病基因的突变高频地出现在ASD病人中。本文针对这两类具有代表性的脑发育疾病,从症状、病因、机制和相关基因等方面展开介绍,以期为疾病的基础研究和治疗提供理论指导。

Cohesin是一类在真核生物进化过程中保守的蛋白复合体,由4个重要亚基相互作用形成环状结构,在细胞分裂过程中参与维持染色体的有序排布。在动物中研究发现cohesin还可以作为分子间的连结器介导绝缘子/增强子-启动子间长距离交互,导致基因表达增强或者抑制,但在植物中关于cohesin在调控基因表达和维持染色体构象方面的研究却相对滞后。本文介绍了cohesin的结构特点和主要组成亚基,对调控cohesin在染色质上动态变化的相关因子进行了总结,并结合近年来植物中cohesin的功能研究和动物中cohesin在三维基因组及转录调控中的重要作用,展望了植物中cohesin在转录调控中的潜在功能。

山羊基因组是山羊品种资源保护和利用的研究依据,对培育和改良山羊品种具有重要意义。目前,随着山羊参考基因组的不断完善,在山羊起源、进化和适应性等方面的研究取得了诸多重要成果。本文详细综述了山羊基因组研究进展,主要包括山羊基因组结构、山羊基因组图谱(遗传图谱、物理图谱和比较图谱)、山羊高通量测序和山羊SNP芯片的开发及利用,以期为开展山羊基因组选择（genome selection, GS）奠定理论基础。

基因组选择是指在全基因组范围内通过基因组中大量的标记信息估计出个体全基因组范围的育种值,可进一步提升育种效率和准确性,目前在猪纯繁育种中得到广泛应用。但有研究表明,现有的基因组选择方法在猪杂交育种上的应用效果并不理想,在跨群体条件下预测准确性极低。杂交作为养猪业中最为广泛的育种手段之一,通过结合基因组选择理论进一步提升猪的生产性能,具有重要的经济和研究价值。本文综述了基因组选择的发展及其在猪育种中的应用现状,并结合国内外猪杂交育种的方式,分析了目前基因组选择方法在猪杂交育种应用方面的不足,旨在为未来基因组选择在猪杂交育种中的合理应用提供参考。

精子尾部结构与其运动功能密切相关。精子的运动能力直接决定了精子能否正常运输到输卵管与卵子受精。精子尾部的形成和发育是一个极其复杂的过程,由多种蛋白质精细调控。研究发现,多种精子尾部发育相关蛋白的缺陷可导致少、弱、畸形精子症。本文根据精子尾部的超微结构顺序,对近年来精子尾部发育相关蛋白的研究进展进行综述,以期为男性不育症的遗传学诊断和治疗提供理论基础和实践的可能。

藜麦(Chenopodium quinoa Willd.)起源于南美洲提提喀喀湖区,是苋科(Amaranthaceae)藜属(Chenopodium)一年生作物。因其营养全面且对多种非生物逆境胁迫具有抗性,被认为是尚未被充分开发且具有高应用潜力的作物,深受育种学家的关注。近年来,随着人们对健康的关注和高品质生活的追求,对藜麦的需求量急剧增加,加之藜麦能有效缓解全球粮食安全,对其栽培与育种等研究已成为热点。为了加深对藜麦的认识和推动其产业的发展,本文结合本课题组多年来对源于安第斯山藜麦种质资源的收集、评价与利用的实践,从藜麦营养价值与应用、起源与分布、遗传研究、品种选育进展及发展趋势等方面进行了总结,以期为我国藜麦新品种(系)的培育与栽培、产业可持续发展、贫困地区人群增收及新增我国粮食生产途径等方面提供参考信息。

随着分子生物学技术的不断发展和需求的多样化,用于核酸检测的各种PCR衍生技术应运而生。数字PCR是一种单分子水平的大规模分区扩增定量核酸检测技术。该技术以微腔室/微孔或微滴作为PCR反应器,无需校准物和绘制标准曲线即可实现对样品初始浓度的绝对定量,具有高灵敏度、高特异性和高精确度的特点。本文详细介绍了数字PCR的技术发展史、作用原理以及仪器平台类型,系统阐述了数字PCR在转基因检测、疾病诊断、环境及食品监管等方面的应用概况,并对该技术的应用前景进行了展望,以期对未来数字PCR的开发利用提供参考。

CRISPR/Cas9系统在基因编辑方面具有巨大优势,能够低成本、可编程、方便快捷地用于动物、植物以及微生物的基因组靶向编辑和功能改造。三维基因组学是近年来兴起的一门研究染色质高级结构动态调控及基因组生物学功能的交叉学科。在三维基因组研究中,通常采用对DNA片段进行基因编辑以模拟基因组结构性变异,标记特定DNA片段,进而研究调控元件对于基因调控、细胞分化、组织发生、器官形成、个体发育的影响,最终阐明三维基因组的组装调控机制和生物学功能。因此,CRISPR及其衍生技术为研究三维基因组提供了极好的遗传学工具。本文主要综述了CRISPR片段编辑及其衍生技术在三维基因组调控与功能研究中的应用,以期为后续研究工作提供理论参考以及新的研究思路。

单倍体育种是培育作物新品种的主要育种技术之一,提高单倍体诱导频率和简化诱导程序是单倍体育种技术的关键。随着单倍体诱导技术的发展与改进,单倍体育种技术已被广泛应用于许多重要植物的育种研究中,展现出基因纯合快速、育种年限缩短、育种效率提高等优势。单倍体诱导技术与杂交育种、诱变育种、反向育种和分子标记辅助选择育种等技术相结合,在作物品种改良上的作用更加显著。单倍体和双单倍体在遗传群体构建、基因功能鉴定、转基因研究、细胞学研究等方面具有重要应用价值。本文从单倍体诱导技术、单倍体和双单倍体应用等方面综述了植物单倍体诱导技术的发展,尤其是近年来利用基因组编辑技术创制主要作物单倍体诱导系的进展,并分析了目前研究中存在的问题和今后的发展方向,以期促进单倍体诱导技术尤其是利用基因编辑创造诱导系技术在作物育种中的应用。

高油酸花生(Arachishypogaea L.)油具有优异的营养成分和热氧化稳定性,有利于人体健康和工业生产。但是高油酸花生在发芽期间对温度比较敏感,限制了其在低温地区的引种。为了进一步了解高油酸花生在发芽期响应低温胁迫的分子机制,本研究选用田间试验中耐寒表现不同的4种高油酸花生品种,分析其在发芽期低温胁迫下的全基因组水平调控。通过转录组高通量测序共获得139 429条Unigene,其中两组耐寒与不耐寒高油酸花生品种在低温胁迫下共产生差异表达基因(differentially expressed gene, DEG) 3520个,且耐寒花生中上调表达的DEG数目大于下调表达的数目。GO分析表明,耐寒高油酸花生中有关细胞膜代谢与完整性以及细胞外周蛋白差异表达基因的数量较多;KEGG通路分析表明,植物病原相互作用和植物激素信号转导通路在抗寒中起着重要作用。进一步筛选出4个低温诱导蛋白基因——时钟调控蛋白基因(TIC) 、AGO4蛋白基因(AGO4)、组蛋白-赖氨酸N甲基类转移酶ATX3基因(ATX3)、FERONIA类受体蛋白激酶基因(FER)和3个转录因子基因——bHLH、3R-1MYB和EREB,采用qRT-PCR检测这些基因在低温胁迫下的表达量。结果显示,在低温处理3 h后TIC、ATX3和AGO4以及转录因子基因bHLH、MYB和EREB的表达量明显升高,FER在胁迫12 h后也有明显升高,表明这些基因在花生萌发期响应低温胁迫。本研究为深入了解高油酸花生发芽期低温胁迫转录调控机制和筛选花生抗寒基因提供了数据资源。

丝裂原活化蛋白激酶激酶(mitogen-activated protein kinase kinase, MAPKK或MKK)是丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase, MAPK)级联的重要组成部分,在植物的生长发育和胁迫应答过程中发挥重要作用。目前,已在多种植物中鉴定了MKK基因家族,但在十字花科植物小拟南芥(Arabidopsis pumila)中MKK基因家族的系统鉴定与分析尚未见报道。为了探索小拟南芥MKK基因家族的进化和功能,本研究通过全基因组分析鉴定了小拟南芥中16个MKK基因,散布于小拟南芥的10条染色体上。基于系统发育分析和多重序列比对,将这些基因分为5个亚族：A亚族(5个)、B亚族(2个)、C亚族(4个)、D亚族(3个)和E亚族(2个)。分子进化和共线性分析表明小拟南芥中存在7对复制基因,分别是ApMKK1-1/1-2、ApMKK2-1/2-2、ApMKK3-1/3-2、ApMKK4-1/4-2、ApMKK5-1/5-2、ApMKK9-1/9-2和ApMKK10-1/10-2,其中ApMKK1-1/1-2在复制事件之后发生了加速进化。结合ApMKKs启动子区的顺式元件分布和ApMKKs在成熟叶片、茎、花和果实以及盐胁迫下的表达模式,结果发现复制基因的表达具有组织特异性和功能多样性。部分复制基因在组织中的表达模式存在差异,但在盐胁迫下的表达模式却基本相同。本研究结果为解析MKK介导的小拟南芥发育过程和非生物胁迫信号转导通路的复杂机制奠定了基础。

短指(趾)症(brachydactyly, BD)是一类指(趾)骨或掌(跖)骨的异常缩短或缺失而造成的手/足畸形病变。从临床表型上短指(趾)症可以分为单纯型短指(趾)症以及包含短指(趾)症状的综合征,其中单纯型短指(趾)症又分为5种类型：BDA、BDB、BDC、BDD和BDE,而每一类型又分为不同的亚型。作为一类重要的分子疾病家族,随着对每种短指(趾)症的深入研究,大多数单纯型短指(趾)症和部分综合征的致病基因及其分子机制逐渐被发现。虽然短指(趾)症在表型上高度多样化,但在分子水平上这些致病基因主要影响Hedgehog、NOTCH、WNT和BMP等信号传导通路。这些信号传导通路组成了一个复杂的信号调控网络,在指(趾)骨及关节的不同发育阶段发挥着不同的作用,其中BMP信号传导通路扮演着至为关键的角色。本文在目前对短指(趾)症的分类基础上,详细综述了短指(趾)症相关致病基因及所影响的信号通路等方面的最新进展,旨在探讨指(趾)骨形成的分子机制,以期为短指(趾)症的临床诊断以及人类骨骼发育的分子调控机制研究提供参考。