基因进化过程中核苷酸替代模型的比较分析

DNA序列中核苷酸替代数的估计是测定基因间进化距离的数学统计方法,是研究基因进化的基础.由于DNA分子包含多种序列区域等原因,核苷酸序列的替代模式比较复杂.最基本的核苷酸序列替代模型是p-距离模型J、ukes-Cantor模型、Kimura两参数模型.在此基础上衍生出其它一系列模型,如Tajima-Nei模型、Tamura模型、Tamura-Nei模型等.这些数学模型在拟合DNA序列进化的真实度时各有特点.这些模型中都假定各个位点的核苷酸替代速率一致,但实际情况并非完全如此,而是核苷酸的替代速率近似地遵循Г分布.     

基因序列的搜索与相似性比对

生物信息学的基本任务是对各种生物分析序列进行分析,也就是研究新的计算机方法,从大量的序列信息中获取基因结构、功能和进化等知识,并将其存储于基因数据库中.而在序列分析中,将未知序列同基因数据库中已知序列进行相似性比较是一种强有力的研究手段,包括序列的片段测定、拼接,基因的表达分析,以及RNA和蛋白质的结构功能预测.     

RNAi技术的研究进展及其应用

RNA干扰（RNAi）是指双链RNA引起的mRNA水平互补序列基因表达的关闭,即序列特异性转录后基因沉默,是生物体进化过程中抵御外未基因和病毒感染的进化保守机制。本文对RNA干涉现象的发现,作用机制及各方面应用作了简单的论述。     

线虫DNA序列沿染色体进化的非均匀性

选择了四个信息参量来刻画核酸序列的进化水平,研究线虫染色体全序列、基因序列和基因间序列的进化水平沿染色体的非均匀分布规律.结果显示各类序列的进化水平沿常染色体呈现明显的非均匀性和规律性.进化水平高的序列分布在染色体的两端,是进化活跃区,进化水平低的序列,分布在染色体的中部,是进化保守区;基因序列和基因间序列是协同进化的,在染色体上具有相同的分布规律;Ⅳ号染色体显示出了染色体形成的拼接模式,由此推断常染色体的形成与进化过程是先以一个进化保守序列为核序列,在其两端拼接其它的序列,通过序列间的协调和融合使之逐渐走向成熟;整个X染色体具有稳定的进化水平,进化模式与常染色体不同.     

组合时间序列方法在长沙人口预测中的应用

选择ARIMA模型作为基本的基因模型。先把时间序列过程分为几代,再应用模糊隶属函数和遗传进化理论求出各代的主导模型,最后通过设计进化过程对时间序列模型进行最优组合。通过这种方法,可以克服很多时间序列模型存在的假定整个动态过程没有结构变化的缺陷。检验结果也表明该模型具有较好的预测效果。     

SARS冠状病毒的起源和进化初探

发展了一种研究基因序列进化的随机替代模型,根据一组从某个最近共同祖先演化而来的若干序列,可以预测此共同祖先序列,并计算随机替代概率矩阵,确定了从祖先序列的各个碱基到进化序列的各个碱基之间的替代概率。将这一模型应用于分析包括SARS冠状病毒在内的4种冠状病毒全基因组的演化规律,确定了在若干较保守的编码蛋白基因序列中同义替代位点的最近共同祖先序列以及分歧进化后的累计同义替代数目。结果表明,SARS病毒和其他几种已知的冠状病毒具有相当的进化历程,但存在不同的进化途径,支持了SARS病毒在造成此次大规模感染人体之前已经历了较长的进化历程的猜测。     

基于序列挖掘的分等级搜索可持续进化算法

讨论了最大频繁序列模式和公平竞争层次模型(HFC),设计了最大频繁序列模式的挖掘算法(MFSPMA),把MFSPMA同HFC结合起来,提出了基于序列挖掘技术的分等级搜索可持续进化算法(SEAHSM).该进化算法设置多个不同层次的种群为不同适应度水平的个体提供生存空间,采用最大频繁子模式挖掘算法挖掘种群中的优良基因,并将具有优良基因模块的新个体注入到不同适应度水平的种群,从而实现遗传信息的稳定继承,有效避免优良基因的丢失.实验结果表明:SEAHSM在维持遗传信息稳定性、避免早熟收敛、提高搜索精度等方面表现良好.     

利用复杂网络来研究tRNA序列的进化

根据点突变和互补复制的进化机制构建tRNA序列相似度平行网络和反平行网络并研究了网络的特征.分析发现当相似度很大时,tRNA基因网络出现了无标度(scale-free)的特征.其次,还比较了平行网络和反平行网络的特征,发现在相同的条件下,反平行网络中的tRNA序列间的关系比平行网络中更密切,它们之间的相似程度更高.这同时说明现代tRNA 序列由互补复制机制进化的可能性更大.最后根据点突变和互补复制的进化机制建立了一个粗糙的tRNA进化模型.结果发现模型tRNA相似度网络在0.3≤ξ≤0.5条件下,不仅和真实tRNA相似度网络有局部的相似行为,而且网络的整体行为也是相似的.因此现代tRNA序列的合理的进化机制应该是上述两种机制的混合.     

十字花科部分蔬菜HRD基因的克隆与生物信息学分析

根据NCBI上得到的拟南芥HRD基因序列,利用同源序列克隆的方法,设计引物,从12种十字花科蔬菜中克隆出其核酸序列,并进行生物信息学分析,旨在验证克隆出的序列与拟南芥HRD基因是否具有同源性.对这些得到的核酸序列从DNA序列、氨基酸序列的相似性、亲/疏水性、2级结构、功能域、3级结构、同源进化树等进行了预测和较为全面的分析.结果显示经PCR扩增,都得到了大小与拟南芥HRD基因基本一致的序列,长度在555bp左右.其基因序列、氨基酸序列比对同源性分别达到93.14%和89.74%;亲/疏水性分析表明该基因编码的蛋白为亲水性蛋白;推导的氨基酸序列中均存在AP2功能结构域,属于十字花科AP2/ERF类家族转录因子基因;同源进化树分析表明它们具有很高的同源性,说明所克隆的序列与拟南芥HRD基因由同一个基因进化而来,是十字花科植物中的保守基因.     

miR-430基因簇的生物信息学分析

很多microRNA （miRNA）基因在基因组上紧密排列形成miRNA基因簇,mir-430是目前已发现的最大miR-NA基因簇,但其起源和进化方面却是未知的.为了揭示mir-430基因簇的起源及其在相关物种的进化关系,文中基于miRNA序列同源保守的特点,采用BLAST程序在NCBI基因数据库中搜索mir-430序列,在14个物种中共搜索到35个mir-430基因序列,这14个物种都为硬骨鱼类.多序列对比发现mir-430基因簇成熟序列的第2到第8位碱基以及第16到第22位碱基为保守序列.进化分析表明七鳃鳗的pma-mir-430基因可能是此基因家族最早出现的基因形式,并且pma-mir-430e可能是其他物种mir-430基因的祖先基因.祖先基因经过个别碱基的缺失及突变、串联重复和大片段重复等方式形成了mir-430基因簇.该研究通过分析不同物种中mir-430基因簇的特征,揭示mir-430基因簇的分子进化规律,为其调控网络和功能研究提供理论基础.     

禾本科同源染色体对趋同进化的比较基因组学

多个禾本科物种全基因组测序的相继完成为禾本科植物基因组物理和遗传结构进化历史的研究提供了前所未有的良好机遇。以五个禾本科物种为研究对象,利用基因同源共线性方法对其基因组进行了比对分析,获得了物种的同源信息,并根据同源信息结合基因组同源结构分析,确定了物种基因组内和基因组间的同源染色体片段。比较分析同源染色体对上重复DNA片段之间的分子距离,初步揭示了禾本科植物同源染色体对间趋同进化规律,研究结果有助于理解染色体结构受非正常遗传重组影响的进化机制。     

Abundant gene conversion between arms of palindromes in human and ape Y chromosomes

Eight palindromes comprise one-quarter of the euchromatic DNA of the male-specific region of the human Y chromosome, the MSY. They contain many testis-specific genes and typically exhibit 99.97% intra-palindromic (arm-to-arm) sequence identity. This high degree of identity could be interpreted as evidence that the palindromes arose through duplication events that occurred about 100,000 years ago. Using comparative sequencing in great apes, we demonstrate here that at least six of these MSY palindromes predate the divergence of the human and chimpanzee lineages, which occurred about 5 million years ago. The arms of these palindromes must have subsequently engaged in gene conversion, driving the paired arms to evolve in concert. Indeed, analysis of MSY palindrome sequence variation in existing human populations provides evidence of recurrent arm-to-arm gene conversion in our species. We conclude that during recent evolution, an average of approximately 600 nucleotides per newborn male have undergone Y-Y gene conversion, which has had an important role in the evolution of multi-copy testis gene families in the MSY.     

High-resolution mapping of meiotic crossovers and non-crossovers in yeast

Meiotic recombination has a central role in the evolution of sexually reproducing organisms. The two recombination outcomes, crossover and non-crossover, increase genetic diversity, but have the potential to homogenize alleles by gene conversion. Whereas crossover rates vary considerably across the genome, non-crossovers and gene conversions have only been identified in a handful of loci. To examine recombination genome wide and at high spatial resolution, we generated maps of crossovers, crossover-associated gene conversion and non-crossover gene conversion using dense genetic marker data collected from all four products of fifty-six yeast (Saccharomyces cerevisiae) meioses. Our maps reveal differences in the distributions of crossovers and non-crossovers, showing more regions where either crossovers or non-crossovers are favoured than expected by chance. Furthermore, we detect evidence for interference between crossovers and non-crossovers, a phenomenon previously only known to occur between crossovers. Up to 1% of the genome of each meiotic product is subject to gene conversion in a single meiosis, with detectable bias towards GC nucleotides. To our knowledge the maps represent the first high-resolution, genome-wide characterization of the multiple outcomes of recombination in any organism. In addition, because non-crossover hotspots create holes of reduced linkage within haplotype blocks, our results stress the need to incorporate non-crossovers into genetic linkage analysis.     

Genome of the marsupial Monodelphis domestica reveals innovation in non-coding sequences

We report a high-quality draft of the genome sequence of the grey, short-tailed opossum (Monodelphis domestica). As the first metatherian ('marsupial') species to be sequenced, the opossum provides a unique perspective on the organization and evolution of mammalian genomes. Distinctive features of the opossum chromosomes provide support for recent theories about genome evolution and function, including a strong influence of biased gene conversion on nucleotide sequence composition, and a relationship between chromosomal characteristics and X chromosome inactivation. Comparison of opossum and eutherian genomes also reveals a sharp difference in evolutionary innovation between protein-coding and non-coding functional elements. True innovation in protein-coding genes seems to be relatively rare, with lineage-specific differences being largely due to diversification and rapid turnover in gene families involved in environmental interactions. In contrast, about 20% of eutherian conserved non-coding elements (CNEs) are recent inventions that postdate the divergence of Eutheria and Metatheria. A substantial proportion of these eutherian-specific CNEs arose from sequence inserted by transposable elements, pointing to transposons as a major creative force in the evolution of mammalian gene regulation.     

人类未来的进化问题

人类过去几百万年的进化史,已经充分说明人类作为生物的一分子,同样遵循达尔文的进化理论:物竞天择、适者生存。这种适应环境的自然选择进化在未来的人类进化中还会起作用吗?达尔文的进化理论是否适用于未来的人类?本文将通过详细的分析试图回答这个问题。现在的人类已经知晓设计人类自身生命的蓝图:DNA,并必然会在未来的几百万年中充分利用基因技术服务和改造人类自身,所以适应环境的自然选择进化还会在多大程度上影响人类的进化是一个值得研究的问题。本文中分析了自然进化和人为进化的区别,以及它们各自在人类未来进化中的作用,同时给出了一种未来文明分类标准,提出了智慧文明的局域同步发展说,用这样的学说可以解释为什么人类至今还没有发现外星人。     

Chance and necessity in the evolution of minimal metabolic networks

It is possible to infer aspects of an organism's lifestyle from its gene content. Can the reverse also be done? Here we consider this issue by modelling evolution of the reduced genomes of endosymbiotic bacteria. The diversity of gene content in these bacteria may reflect both variation in selective forces and contingency-dependent loss of alternative pathways. Using an in silico representation of the metabolic network of Escherichia coli, we examine the role of contingency by repeatedly simulating the successive loss of genes while controlling for the environment. The minimal networks that result are variable in both gene content and number. Partially different metabolisms can thus evolve owing to contingency alone. The simulation outcomes do preserve a core metabolism, however, which is over-represented in strict intracellular bacteria. Moreover, differences between minimal networks based on lifestyle are predictable: by simulating their respective environmental conditions, we can model evolution of the gene content in Buchnera aphidicola and Wigglesworthia glossinidia with over 80% accuracy. We conclude that, at least for the particular cases considered here, gene content of an organism can be predicted with knowledge of its distant ancestors and its current lifestyle.     

量子点人工光合成制氢研究进展

 综述了本研究组近年来量子点人工光合成制氢体系的研究进展，重点从量子点与氢化酶模拟化合物、量子点与过渡金属离子、量子点敏化光阴极3个方面分析了影响制氢效率的主要因素，指出对光生电荷（电子和空穴）的有效捕获是提高人工光合成分解水制氢效率的关键，并展望了未来人工光合成发展方向。     

基于基因表达调控的进化模型

为了研究生物进化过程中高级复杂结构的出现和不同复杂程度的各种结构并存的现象 ,建立了一个简单的进化模型。在模型中 ,考虑了基因的表达调控过程 ,借鉴了生命作为复杂系统的自组织现象 ,提出了基因突变产生的系列突变效果。在模仿生物的进化的实验过程中 ,出现了由简单结构向复杂结构进化的趋势。对这一过程进行了理论分析 ,将模型推广到多个物种的情况 ,并结合生物学中的现象 ,得出了结论 :生物演化过程中 ,同时存在进化与退化的趋势 ;高级复杂结构的出现是在一定的外界环境下 ,生物种群内部出现的自组织过程     

量子点人工光合成制氢研究进展

 综述了本研究组近年来量子点人工光合成制氢体系的研究进展，重点从量子点与氢化酶模拟化合物、量子点与过渡金属离子、量子点敏化光阴极3个方面分析了影响制氢效率的主要因素，指出对光生电荷（电子和空穴）的有效捕获是提高人工光合成分解水制氢效率的关键，并展望了未来人工光合成发展方向。