福氏2a志贺氏菌301株基因组水平的缺失基因分析

在完成福氏2a志贺氏菌 301株全基因组序列测定工作的基础上, 以非致病性大肠杆菌K12 MG1655株的全基因组序列为参比对象, 进行比较基因组学分析. 结果显示, 与大肠杆菌基因组相比, 福氏2a志贺氏菌 301株基因组中共有136个长度大于1000 bp的片段缺失, 总长为717253 bp. 这些缺失片段中共包含670个可读框(ORF). 通过对ORFs编码产物的功能预测和分析, 发现这些缺失的ORFs主要编码与细菌代谢相关的酶类、结构蛋白、基因转录调控因子以及与细菌遗传物质水平转移相关的元件. 这不仅从全基因组水平揭示了两种具有不同生物学特性和表型的重要肠道细菌的分子差异, 而且为进一步探索其生理活动过程、致病机制以及肠道细菌间的进化等诸方面的问题提供了有价值的线索.     

花是如何起源的?

花的起源是植物学和进化生物学中的重要问题,长期以来备受关注.近年来,分子系统学、进化发育生物学和基因组学的兴起和蓬勃发展,不仅为花起源的研究带来了新思路,而且更新了人们对该问题的认识.基于这些领域的新进展,人们不仅纠正了前人在理论和模型中的错误、提出了可验证的新假说,而且揭示了花发育MADS-box基因的进化对花起源的贡献.然而,已有研究只能笼统地解释花作为一个整体是如何起源的,并不足以全面揭示花和花器官起源的根本机制.本文在总结与花和花器官起源相关理论和假说的基础上,介绍人们对花和花起源问题的新见解,探讨花起源机制的复杂性,指出花的起源和基本结构的建立涉及诸多"小"的关键性状的改变,认为只有对这些性状进化的分子机制进行研究才能真正揭示花起源的内在原因.     

低等脊椎动物中存在基因组印迹进化的基础

哺乳动物配子发生过程中双亲特异性甲基化印迹导致父母双方的基因组在发育中的不等性和互补性, 使父母双方的基因组对正常发育都是必需的. 因此, 基因组印迹是胚胎发育过程中基因组整体水平上基因表达调控至关重要的第一步, 也是哺乳动物两性生殖的表观遗传基础. 但基因组印迹在脊椎动物中的进化起源、形成并维持稳定的表观遗传修饰分子机制都还完全不清楚. 在动物界, 由于至今未在非哺乳动物中发现内源印迹基因, 基因组印迹被认为可能是胎生哺乳动物单独进化出来的. 为探索基因组印迹的进化起源, 本文研究了哺乳动物印迹基因在低等脊椎动物的同源基因中是否存在双亲特异性差异甲基化区域. 通过用重亚硫酸氢盐测序的方法, 对金鱼Igf2基因的CpG岛在精子、卵子、不同发育阶段胚胎以及成体不同组织中的甲基化情况进行分析, 结果表明, 与哺乳动物Igf2基因一样, 金鱼Igf2基因内部也存在差异甲基化区域, 该区域在卵子中没有甲基化, 在精子中被高度甲基化; 但与哺乳动物印迹基因不同, 金鱼的双亲特异性甲基化差异不能在胚胎发育过程中保持稳定, 可能是脊椎动物进化早期的一种初级的基因组印迹. 这些结果说明, 低等脊椎动物中存在基因组印迹进化的基础, 基因组印迹不是哺乳动物单独进化产生的     

新基因的起源与进化

随着基因组数据的大量积累, 人们愈加认识到各种有机体中基因数目的巨大差异. 这些差异的存在表明, 新基因如何产生不仅是一个重要的进化生物学问题, 也是生命科学中面临的一个基本问题. 对新基因起源机制的探索, 可以追溯到大半个世纪以前, 然而直到上世纪90年代第一个年轻基因——精卫基因(jingwei)的发现, 才使以实证方法研究新基因起源的分子机制成为可能. 此后的10多年中又陆续发现一些新的年轻基因的例子, 对这些基因起源与进化的研究极大地丰富了人们在这一领域的认识. 但目前有限的例子难以从整体的水平对基因组中新基因产生的速率以及新基因的产生对原基因组的影响等问题作出解答. 我们正致力于在基因组的水平寻找更多年轻基因的实例, 以期总结新基因起源与进化的一般规律.     

浅析基因组大小的进化机制

基因组记录着物种的全套核苷酸序列信息,其大小与物种进化地位之间的关系由于"C值悖论"的提出而引人关注.本文回顾了关于基因组大小研究的历史,简述了基因组大小和细胞性状及自身组成之间关系的研究进展及相关假设,并在不同分类尺度上分析了影响基因组大小进化的可能因素.我们认为随着进化地位的提高和相应的遗传信息量增加,基因组大小有增加的内在必然性;但是在真核生物中,随着基因组的增大,增加的DNA逐渐由基因序列转变为主要是内含子和基因间区等非编码DNA序列,而非编码序列的大量增加并不明显改变物种的进化地位,却在很大程度上掩盖了基因组大小与物种进化复杂度之间的相关性,从而导致了C值悖论.我们认为分子突变导致了基因组大小的变化,而自然选择对保留有益的变化起到了重要的作用.     

非编码RNA: 比较近缘物种及寻找雄性功能基因

非编码RNA是近来发现的一类具有重要功能的基因. 本文针对“果蝇近缘物种间性腺特异ncRNA表达图谱存在显著差异”一文, 讨论其涉及的内容对ncRNA研究领域发展的意义. 该文采用比较基因组分析与基因间区RT-PCR相结合的简便而有效的非编码RNA检测手段, 在黑腹果蝇中鉴定出12个性腺特异性表达的非编码RNA基因, 并发现他们在黑腹果蝇及其近缘种间的表达存在差异. 这一结论一方面暗示了同一个非编码RNA基因在物种进化过程中演化出了各自的表达调控机制, 另一方面也为性别发育生物学和进化生物学研究提供了一个有价值的ncRNA基因的研究平台.     

赛葵黄脉病毒: 一种含有卫星DNA的双生病毒新种

从云南红河地区表现黄脉症状的杂草——赛葵上分离到病毒分离物Y47. 对Y47进行DNA-A的全序列测定, 结果表明, Y47 DNA-A全长2731个核苷酸, 基因组具有典型的双生病毒科病毒特征, 即编码6个ORFs, 其中病毒链编码AV1(CP)和AV2共2个ORFs, 互补链编码AC1~4共4个ORFs. 对基因组进一步比较发现, Y47 DNA-A与秋葵黄脉花叶病毒分离物201(GenBank登录号: AJ002451)的同源性最高, 达77%, 而与其他双生病毒的同源性均在76%以下, 表明Y47是双生病毒的一个新种, 命名为赛葵黄脉病毒(MYVV). 利用DNAβ的特异性引物beta01和beta02, 从Y47中扩增到卫星DNA分子(Y47β). 序列分析表明, Y47β全长1348个核苷酸, 至少在其互补链上编码一个有功能的ORF(C1). Y47β的全序列与Multan棉花曲叶病毒和Rajasthan棉花曲叶病毒的DNAβ的核苷酸同源性最高, 为62%~67%, 而与其他已报道的DNAβ的同源性均低于46%. 系统关系树分析表明, 卫星DNAβ分子与其辅助病毒是共同进化的.     

带有REV-LTR片段的MDV野毒株GX0101 BAC克隆的构建及拯救病毒的致病性分析

将整合有禽网状内皮组织增生症病毒(reticuloendotheliosis, REV)长末端重复序列(LTR)的马立克氏病病毒(命名为GX0101)全基因组作为细菌人工染色体(bacterial artificial chromosome, BAC)克隆进大肠杆菌. BAC载体通过同源重组插入MDV基因组的US2区, 含BAC载体的MDV DNA电转化大肠杆菌菌株DH10B, 鉴定含MDV全基因组的BAC克隆(MDV BAC), 提取BAC DNA, 转染原代鸡胚成纤维细胞(CEF), 成功拯救出了重组病毒, 命名为bac-GX0101. 将此病毒腹腔接种1日龄鸡, 在攻毒后62 d开始检测到内脏肿瘤, 动物实验结果表明, bac-GX0101毒株与亲本GX0101毒株对机体的致病性等方面的影响没有差异, bac-GX0101毒株仍然保留着很好的免疫抑制功能及致肿瘤能力. 该感染性克隆bac-GX0101为研究该重组野毒株中REV-LTR插入片段及其他基因的生物学功能提供了有用的技术平台.     

SARS相关病毒(BJ01株)的全序列及其比较分析

严重急性呼吸综合征(SARS)是一种新发现的急性传染病. 对一株已确认为SARS病原体的冠状病毒(BJ01)进行了全基因组序列测定, 并与其他已知病毒进行了比较分析. 该病毒基因组全长为29.725 kb, 含11个可读框(ORFs), 由1个稳定区和1个可变区组成, 其中稳定区编码RNA依赖性RNA聚合酶, 包括两个ORFs；可变区含有4个蛋白质编码序列(CDSs), 分别编码病毒的4个结构蛋白(S, E, M, N蛋白). 此外, 可变区还包括5个非典型的预测蛋白(PUPs). 此病毒基因的排列顺序与其他已知的冠状病毒一致. 通过与已知RNA病毒的序列比对, 可以确认该病毒属于冠状病毒科(Coronaviridae). 与GenBank中已知的5个SARS相关病毒全基因组序列的比较分析显示, 已在30个核苷酸位置上检出序列差异, 总体突变率为0.1%, 其中15个变异位点在编码区, 可能会导致蛋白质的氨基酸改变(异义突变). S蛋白中已发现3处可能引起该蛋白质物化特征变化的变异, 而该蛋白质可能参与病毒与宿主间的免疫反应. 与病毒包膜形成相关的M蛋白中则已发现两处氨基酸变化. 进化分析表明, SARS病毒可能不是来源于人类, 但没有证据证明是人为制造的. 为了阐明SARS相关病毒的病因学以及排除其他可能的SARS病原体的存在, 仍需进行更深入的研究.     

海洋模式动物海鞘及其脊索发育与调控

海鞘属于尾索动物,是与包括人类在内的脊椎动物进化距离最近的无脊椎动物.海鞘幼虫背部具有脊索,是无脊椎动物和脊椎动物的过渡类型,在研究脊椎动物起源和脊索动物进化中具有非常重要的地位.海鞘还是滤食性生物类群,在控制碳流向等海洋生态过程中起重要调节作用.海鞘卵及胚胎透明、身体结构简单、胚胎发育的细胞谱系明确,是镶嵌型发育的典型模式动物.最近,随着几种海鞘基因组的解析以及基因和胚胎操作技术、细胞生物学和实时影像等技术在海鞘生物学研究中的应用,海鞘发育生物学研究取得了令人瞩目的进展.本文阐述了尾索动物的进化地位和海鞘的生物学特征及其海洋生态学功能,概述了现阶段海鞘生物学研究的技术手段和可共享的遗传材料及基因等网络资源,着重论述了模式动物玻璃海鞘的特征器官脊索的起源与发生以及脊索管腔形成所经历的复杂细胞学过程和分子调控机制,总结了最近国内外海鞘生物学研究进展,提出了未来的发展方向以及需要开展工作的重要领域.     

灵长类和反刍动物生长激素受体的快速进化

在大部分哺乳动物的进化历程中, 垂体生长激素的进化非常缓慢, 各类群之间没有很大的差别, 但在灵长类和反刍动物的进化过程中却出现了明显的快速进化, 即所谓“插曲式”的进化模式. 我们获得了4种灵长类动物的生长激素受体的膜外区序列, 并结合已有的序列数据进行系统的进化分析, 结果表明, 哺乳动物生长激素受体也经历了一种类似垂体生长激素的所谓“插曲式”的进化模式. 考虑到垂体生长激素的生物学效应需要通过其受体的介导才能实现, 结合相关性分析的结果, 推测垂体生长激素受体的这种进化模式可能是与垂体生长激素发生了协同进化的结果.     

进化论与进化生物学的发展

自达尔文1859年发表<物种起源>(The Origin ofSpecies)一书以来,"进化"(evolution)已逐渐成为生物学文献中出现频率最高的词汇之一,进化生物学(evo-lutionary biology)则成为当今生命科学中一个重要的前沿领域.     

“基因驱动遗传元件”促进水稻物种形成

<正>物种形成一直是进化生物学领域中最核心、最引人注目的科学问题.达尔文在其巨著《物种起源》中将此问题称为“谜中之谜”(mystery of mysteries). 20世纪40年代,哈佛大学进化生物学家恩斯特·迈尔(Ernst Mayr)定义了物种的生物学概念(biological species concept),即物种是能够相互配育的自然类群,这些类群与其他类群存在着生殖隔离(reproductive isolation, RI)[1].随后,遗传进化生物学家杜布赞斯基(Dobzhansky)、穆勒(Muller)等指出,     

猪链球菌全基因组序列比较分析

2005年, 在四川局部地区爆发的人感染猪链球菌疫情导致200多人感染, 30多人死亡. 为了研究猪链球菌的致病机理, 以达到防止细菌传播和人畜感染的目的, 对已测序的猪链球菌(Streptococcus suis)的2个菌株(P1/7, 89-1591)进行了全面的功能注释和分析. 猪链球菌P1/7的基因组全长为2.007 Mb, 共有1969个可读框(ORF), 而部分测序的猪链球菌 89-1591序列包含在177个连接群(contig)中, 长为1.98 Mb, 含有1918个ORF. 两菌株基因组比较结果表明, 其平均编码区(CDS)的长度非常接近. 在所有ORF中, 同源ORF数为1306个. 两菌株中可能的毒性因子大多数具同源性. 但也存在例外, 如在P1/7中存在于一个基因岛内, 编码与毒性相关的荚膜多糖的11个毒性因子(CPS2A-2K)中, 4个基因cps2A, 2B, 2I, 2J未在89-159菌株中发现. 同时, P1/7中编码细胞外因子(EF)和溶血素(Haemolysin)的基因也未在89-159菌株中发现. 另外, 两菌株中与DNA复制、修复及重组相关的基因组成上存在着明显的差异, 并且在表面蛋白质组成上也同样存在着一定的差异. 这些特性表明两菌株为了适应不同的环境压力而演化出特有的功能单位, 暗示着2个菌株在毒性机理上存在着一定的差异. 以上分析结果为系统地研究猪链球菌以及防治、疫苗的开发、治疗药物的设计提供了广泛的基因组学信息.     

合成生物学策略发现新型核糖体肽Xenopeptide

S-腺苷甲硫氨酸自由基(rSAM)酶家族是目前已知的最大酶超家族之一,由22000多个成员组成.这些酶在大自然中广泛存在,被认为是地球上最早的生物催化剂之一.随着大量的微生物基因组信息被解析,分析显示,微生物中大量核糖体肽类天然产物的生物合成基因簇中含有rSAM酶;其中Xenorhabdus、Yersinia和Erwinia三个属的基因组中均含有一个高度保守的rSAM酶负责其相邻核糖体肽的前体修饰,此类前体肽和rSAM酶构成的XYE系统所合成的化合物鲜有报道.本研究合成一个来源于Xenorhabdus sp. KJ12.1的XYE系统的前体肽和rSAM修饰酶基因,在大肠杆菌中进行共表达,得到新型核糖体肽Xenopeptide,通过结构解析发现, rSAM酶XenB负责分子内2个碳碳键的形成.本研究为微生物中此类化合物的深度挖掘和合成生物学改造提供了理论支撑.     

利用群体基因组学策略扫描人群特异的自然选择信号

自然选择是人类进化的动力, 直接影响人群分化. 目前对于自然选择在人群分化中的作用及其功能还知之甚少. 为了探讨这一问题, 本研究利用人类基因组国际单体型图计划的数据分析人群的遗传分化. 通过群体基因组学策略扫描常染色体区, 共发现了12669个高人群分化的SNPs和1853个人群特异的自然选择“候选基因”, 并通过基因诠释确定了121种受到强选择压力的生物学过程. 多层次分析显示, 人类基因组中存在普遍的正选择信号, 这些信号聚集于特定的染色体区域; 且多数“候选基因”和相应的生物学过程均局限于特定人群中, 提示自然选择在人群分化中发挥了重要作用. 本研究为从群体遗传和功能学角度深入研究自然选择和人群分化提供了新的线索.     

节杆菌PJ3基因组中发现2,3-二羟基联苯双加氧酶基因

从污水中分离出一株以咔唑为惟一碳源和氮源生长的菌株PJ3, 用 16S rDNA 鉴定为节杆菌(Arthrobacter sp), 构建了PJ3菌株基因组文库并获得一株阳性克隆JM109 (pUCW402). 通过GenSCAN软件和BLAST分析发现, 在插入pUCW402的外源片段(3360 bp)中存在一个由933 bp片段编码的2,3-二羟基联苯双加氧酶基因. 进化分析表明, 从PJ3来源的2,3-二羟基联苯双加氧酶在进化树上形成一个独立的分支. Southern杂交进一步证实, 编码该酶的基因定位于节杆菌PJ3的基因组DNA上. 为了鉴定该基因的生物学功能, 构建了BL21 (pETW-8)重组菌株. 与菌株JM109 (pUCW402)和PJ3相比, 2,3-二羟基联苯双加氧酶的表达水平在BL21 (pETW-8)中最高. 酶活分析表明, 2,3-二羟基联苯双加氧酶不具有绝对专一性, 对2,3-二羟基联苯的催化能力高于邻苯二酚. 因此推测PJ3菌株对芳香族化合物降解过程中, 2,3-二羟基联苯双加氧酶主要负责催化双环化合物的降解.     

酮古龙酸菌WB0104的全基因组分析

酮古龙酸菌(Ketogulonigenium sp)可以将L-山梨糖转化为维生素C的前体2-酮基-L-古龙酸, 具有重要的工业应用价值. 酮古龙酸菌WB0104基因组由一长度为2765030 bp的环形染色体和2个环状质粒(267968和242707 bp)组成, 染色体的(G+C)含量为61.69%, 含2727个可读框(open reading frames, ORF), 它的复制、转录和翻译以及碳水化合物和能量代谢系统是完整的, 而修复系统不完全. WB0104中有640个左右的预测ORFs属于转运蛋白, 占总预测基因数的四分之一左右, 远远高于目前已知的其他细菌, 推测与其适应土壤环境因素有关.     

基因的分子进化：原理与方法

Dobzansky说:“不从进化的观点看问题,生物学的一切将不可理解”。分子进化研究不仅是一种特定的学科方法,而且是一种可以广泛应用的科学理论。人类基因组计划的实施为分子进化研究赋予了重要使命,也提供了新的机遇。本文综述了分子进化的基本原理、方法和最新发现,包括同源性分析、进化速率估计、系统发育树、分子种和基因及基因家族起源等方面,并提出了展望。     

原始生物也发现有胰岛素

“遗传工程迷”对人工合成胰岛素花费的财力可能已经是一种浪费,眼下已经有四位科学家发现了一种十分类似于这一极其复杂的人体激素的物质,那是在这种激素及其他微生物试验中最经常使用的一种细菌中发现的。这一发现简直使从事胰岛素研究工作并对大肠杆菌K12菌株进行试验的任何分子生物学家感到意外。英国科学院会报第77卷(第6184页)刊登了四位科学家已经从一种四膜虫属的原始生物、曲霉属与脉孢菌等两种真菌和埃希氏菌属的