非洲种族和人类线粒体DNA的进化

有关现代人种的所有线粒体DNA型,都是来自生活在约200000年前非洲群体中的一个共同祖先的主张,已引起了足够重视。为了深入研究这种观点,对从不同地区起源的189人中所取的两个mtDNA的可变片段进行了序列测定;189人当中包括了121位本地黑人。从一致mtDNA型中观察到的地理特征,为群体内所共有,不是群体间分担。与这些mtDNA顺序相互关联,而且还关系黑猩猩顺序的世系图,有着许多深的分枝,并全部导向非洲人的mtDNA。     

古老人群mtDNA研究中存在的问题和对策

由于多种原因, 古老人类标本中的DNA一般都有不同程度的降解, 在分析时只能得到短片段的序列. 如何对这些序列片段的真实性进行甄别, 最大限度地挖掘出其中包含的信息, 是目前对古代人群遗传结构分析及其他古DNA研究中普遍存在的一个难题. 本文对近期国内古老人群mtDNA研究中存在的问题进行了评述, 并从mtDNA世系的系统发育关系角度, 对新疆(包括邻近的中亚地区)古老人群数据进行了重新分析. 结果显示, 这些古老DNA数据的可靠性存在或多或少的问题; 结合现代不同地理人群中的mtDNA变异情况, 能够对获得的距今数千年前的mtDNA的真实性进行判别和自检, 并能有效地对序列信息进行解码. 同时, 对中亚地区古老人群mtDNA数据重新分析的结果, 支持该地区欧亚人群基因交流融合由来已久的推测.     

胃癌组织mtDNA突变与癌变关系的探讨

为了进一步明确mtDNA突变与胃癌发生、发展的关系，利用变性高效液相色谱（DHPLC）和DNA测序技术，对30例胃癌组织和对应的正常组织mtDNA基因组全序列进行了筛查，研究结果确定胃癌中mtDNA存在高频率的突变，突变频率为66.7%（20/30），其中56.7%（17/30）的突变仅见于癌组织，突变频率较高的基因为ND4，ND5和D-loop，分别为36.7%，26.7%和30%，与组成电子传递链复合体Ⅲ，Ⅳ，V的基因相比，复合体I基因在被检测的癌组织mtDNA中的突变频率最高（43.3%），突变类型以碱基替代为主（85.4%），研究结果提示，复合体I基因，特别是ND4，ND5和ND3基因突变在胃癌的发生，发展中起重要作用。     

Mutator转座子介导的玉米插入突变体库的构建及遗传评价

以Q105, WW51, 115F, V26-2, 919J为Mutator转座子供体材料, 与本地优良玉米自交系受体材料Hz85, W328以及S-Mo17^Rf3Rf3杂交, 获得26718单株的插入诱变F₁群体(M1). 田间鉴定M1单株的生物学特征及农艺学性状的表型突变, 室内考察突变单株自交果穗M2籽粒性状的突变类型, 并以斑点籽粒出现的频率评价Mu因子的转座频率. 结果表明, 在所构建的Mu介导的玉米插入突变体库中, 以W328为母本(BzBz)的M1群体平均田间表型突变频率为0.07; 以W328 × Mu的M2果穗斑点籽粒的出现频率评价的Mu转座频率为0.121802; 在22500个S-Mo17^Rf3Rf3 × Mu单株中, 发现了5个S型玉米细胞质雄性不育突变单株, 突变频率为2.2×10^-4. 利用优化的MuTAIL-PCR技术分析了99条转座子插入位点的侧翼序列, 归并整理后获得59条(每条约400核苷酸序列)非重复靶位点序列. 对59条序列非重复的Mu因子插入产生的9 bp靶位点正向重复序列进行同源性比较分析, 结果表明, Mu的插入有序列热点. 经生物信息学分析后注释了27条与玉米、水稻等植物核苷酸数据库中匹配值较高的功能序列. 利用比较基因组学方法将36条单一基因序列定位在玉米遗传图谱上, 有多条Mu插入靶位点序列定位在单个标记位点上. 分析发现, 8条Mu插入靶位点序列的预测功能与其相应的定位标记的功能具有一致性. Mu插入突变体库的构建与遗传评价为利用Mu转座子进一步发掘玉米基因、深入开展玉米功能基因组学研究搭建起重要的技术与材料平台.     

梧州繁殖中心圈养黑叶猴遗传多样性分析和野外放归种源选择

采用线粒体控制区和微卫星DNA分子标记,对梧州繁殖中心圈养黑叶猴的遗传多样性、圈养个体来源地以及个体间的亲缘关系进行分析.在355 bp线粒体控制区序列中发现了35个核苷酸变异位点,包括3个转换、29个颠换和3个插入/缺失,这些变异位点共定义了13种单倍型.圈养黑叶猴核苷酸多样性(π)为0.027,单倍型多样性(h)为0.627.采用11对微卫星引物对圈养黑叶猴DNA进行扩增,共检测到47个等位基因,每个座位的平均等位基因数为4.18.平均期望杂合度(He)为0.559,观测杂合度(Ho)为0.551.与其他濒危灵长类动物相比,圈养黑叶猴遗传多样性处于中等水平.将贵州、广西、越南野生黑叶猴和圈养黑叶猴单倍型进行比较,发现梧州繁殖中心圈养黑叶猴个体来自广西境内和广西与越南交界地区.采用微卫星数据分析了圈养黑叶猴亲缘关系和遗传距离,选取3只雄猴和7只雌猴组建了3个家庭单元用于野外放归.     

用cpDNA matK基因和nrDNA ITS区序列确定我国特有植物四棱草属的系统位置

测定了我国特有植物四棱草属以及马鞭草科6属和唇形科13属共27个代表种的叶绿体DNA matK基因和核核糖体DNA ITS区序列.应用相对表观衍征分析方法(RASA)对所测DNA序列的系统发育信号及所选择外类群的有效性进行了统计评价.应用最大简约法(MP)、邻接法(NJ)和最大似然法 (ML)对matK和ITS序列进行了独立的和联合的分子系统发育分析.结果表明,四棱草与三花莸为姐妹群;Contino等提出的莸属复合群不构成单系类群,莸属4种具有复系演化关系;Contino系统中的筋骨草亚科形成一个单系分支.此外,本文结果支持马鞭草科与唇形科构成复系类群以及白骨壤属从马鞭草科中独立的观点.RASA分析和多基因联合分析为确定复杂类群间的系统发育关系提供了有效的途径.     

用cpDNA matK基因和nrDNA ITS区序列确定我国特有植物四棱草属的系统位置

测定了我国特有植物四棱草属以及马鞭草科6属和唇形科13属共27个代表种的叶绿体DNA matK基因和核核糖体DNA ITS区序列. 应用相对表观衍征分析方法(RASA)对所测DNA序列的系统发育信号及所选择外类群的有效性进行了统计评价. 应用最大简约法(MP)、邻接法(NJ)和最大似然法 (ML)对matK和ITS序列进行了独立的和联合的分子系统发育分析. 结果表明, 四棱草与三花莸为姐妹群; Contino等提出的莸属复合群不构成单系类群, 莸属4种具有复系演化关系; Contino系统中的筋骨草亚科形成一个单系分支. 此外, 本文结果支持马鞭草科与唇形科构成复系类群以及白骨壤属从马鞭草科中独立的观点. RASA分析和多基因联合分析为确定复杂类群间的系统发育关系提供了有效的途径.     

CRISPR/Cas工具的开发和应用

CRISPR/Cas系统是细菌、古菌抵抗外源DNA或RNA入侵的免疫系统,细菌和古菌通过crRNA和Cas蛋白识别靶标DNA或RNA,并切割这些外源入侵核酸.目前, CRISPR/Cas系统已广泛应用于基因编辑领域,多种Cas蛋白的发现扩宽了CRISPR/Cas编辑基因的范围.如Cas9和Cas12可在基因组上靶向插入或删除DNA序列; Cas13和RCas9可靶向切割RNA.另外,多种Cas衍生工具的开发让CRISPR/Cas系统发挥更多的功能.如基因编辑方面,通过base editor可进行DNA单碱基编辑,通过prime editor可进行DNA单碱基编辑和小片段插入缺失;如基因表达调控方面,通过CRISPRa和CRISPRi可以激活或抑制基因RNA表达.同时, CRISPR/Cas系统还广泛应用于功能基因遗传筛选、基因检测、活体成像、细胞谱系示踪等多个领域.随着CRISPR/Cas基因编辑工具的不断开发,将不断促进科学研究进展,并有望通过CRISPR/Cas介导的基因治疗为患者带来福音.     

高度特化等级裂腹鱼类分子系统发育与生物地理学

分析了分布于青藏高原及其邻近地区23个种和亚种36个群体高度特化等级裂腹鱼类的线粒体DNA细胞色素b序列, 重建了系统发育关系. 并采用地质隔离事件校正分支时间, 估计了主要分支发生时间. 结果发现, 高度特化等级裂腹鱼类不是单系群, 裸鲤属和裸裂尻属也不是单系群. 全裸重唇鱼可能是特化类群向高度特化类群演化的过渡类型. 高度特化等级裂腹鱼类的系统发育关系总体上反映了水系之间和地质历史的联系, 即来自相同和相邻水系的物种通常具有更近的亲缘关系. 估计的主要分支发生事件与青藏高原近晚地质时期强烈隆起有很好的一致性, 表明高度特化等级裂腹鱼类的起源演化与晚新生代青藏高原阶段性抬升导致的环境变化相关.     

点突变的熵性质

生物多样性是生物群体存在和发展的基础, 遗传物质DNA是生物多样性的物质依存, 而熵是生物多样性的最好度量. 为了了解点突变的熵性质, 本研究分别在单参数模型和双参数模型下建立了有限长DNA序列点突变的微分方程模型, 得出了4种碱基随世代变化的函数关系式, 在分子水平上探讨了点突变的熵性质, 证明了生物具有保熵性, 生物是朝着多样性增大的方向发展进化的. 并利用Matlab软件进行了随机点突变的计算机模拟, 直观验证了所得的理论结果.     

NPA motif在水通道蛋白AQP1表达和转水功能中的重要性

水通道蛋白(AQP)序列中的两个天冬酰胺-脯氨酸-丙氨酸序列(NPA motif)是水通道蛋白家族中高度保守的特征性序列, 其晶体结构研究显示, 两个NPA motifs位于通道中心的狭窄部位, 直接参与水分子的结合和选择性通过. 为了进一步研究两个NPA motifs在水通道蛋白结构、功能和生源学(biogenesis)方面的重要性, 通过点突变方法分别获得单独缺失NPA1或NPA2 motif以及同时缺失两个NPA motifs的3种水通道AQP1基因突变型. 将3种AQP1突变cDNA分别亚克隆入真核表达载体pcDNA3.1, 建立稳定转染3种AQP1基因突变型的CHO细胞系. AQP1免疫荧光分析显示, 3种AQP1突变蛋白均能正常表达并定位于质膜, 显示AQP1蛋白质表达和细胞内加工过程未受NPA motifs缺失的影响. 分别对表达3种AQP1突变蛋白的CHO细胞进行质膜水通透性功能分析, 并与表达野生型AQP1的CHO细胞进行比较, 结果显示, 缺失NPA1或NPA2引起AQP1转水功能下降49.6%和 46.7%, 而同时缺失两个NPA motifs的AQP1转水功能与野生型AQP1相似. 上述结果显示, 水通道AQP1中的NPA motifs在AQP1转水功能中发挥重要作用, 但对于AQP1蛋白的表达、细胞内加工和通道基本结构的形成并不起关键作用.     

反义核酸对β-地中海贫血基因(IVS-2-654 C→T)剪接缺陷抑制作用的研究

β-珠蛋白基因第2个内含子(IVS-2)中第654位核苷酸(nt654)C→T剪接缺陷型突变是中国人最常见的β-地中海贫血(简称β-地贫)突变类型之一.我们先前的研究表明,该突变在IVS-2第654位(nt654)上出现的单碱基取代产生了一个新的 GT二核苷酸,它联同旁侧序列构成了一个5＇异常剪接位点,同时还激活了IVS-2第579位(nt579)处3＇隐匿剪接位点,从而将 IVS-2nt580至 nt652之间一段73bp内含子序列作为额外的外显子插入外显子2和外显子3之间,产生了异常的β-珠蛋白mRNA,导致β~ -地贫.为了探讨反义核酸治疗β-地贫IVS-2-654 C→T突变的可能性,我们应用体外转录和体外剪接系统,以体外转录产生的特异反义RNA封闭IVS-2-654 C→T突变基因中3＇隐匿剪接位点和5＇异常剪接位点,使之失去活性,从而减少异常加工的mRNA并且部分恢复了正常剪接途径.     

水稻线粒体tRNATrp的种属特异性氨酰化

为了研究原核生物和真核生物(细胞质)色氨酰tRNA合成酶(TrpRS)对线粒体tRNA^Trp识别的种属特异性, 构建了7个水稻线粒体tRNA^Trp三位点(G73, U72, A68)的单点或多点突变的突变体. 这些突变基因, 经体外转录后分别用枯草杆菌(B. subtilis)和人色氨酰tRNA合成酶(TrpRS)进行氨酰化反应, 并测定它们的动力学常数. 结果表明, 与野生型水稻线粒体tRNATrp相比, 7个突变体的转录产物被B. subtilis TrpRS氨酰化的活力分别降低了53.33%~99.79%, 被人TrpRS氨酰化的活力却分别提高了4~330倍, 其中以MPH7(水稻线粒体tRNATrp的三碱基(G73, U72 和C68)全部突变为人tRNA^Trp的三碱基序列)的氨酰化活力改变最大. 实验结果证明, 与真核生物和原核生物细胞质tRNA^Trp的种族特异性类似, 水稻线粒体 tRNA^Trp的种属特异性元件也主要处于氨基酸接受茎的识别位碱基、第一和第五对碱基对, 亦即识别位碱基G73, 氨基酸接受茎上的两个碱基对G1/U72和U5/A68. 本研究为线粒体 tRNATrp起源于真细菌的推论提供了实验依据.     

利用古代DNA信息研究黄河流域家猪的起源驯化

猪的起源驯化一直是人们关注的科学问题.古DNA技术可为家猪起源驯化研究提供更为直接的科学证据.已有研究表明,中国家猪在黄河中下游流域曾发生过独立的驯化过程,但黄河上游的古代猪样品研究尚属空白.本研究选取黄河流域的3个遗址出土的14个古代猪样本为实验材料,通过DNA提取、PCR扩增和DNA测序,结合现代不同品种家猪、野猪及黄河中下游猪古DNA序列信息,系统分析了我国家猪的起源驯化关系.实验共获得5个古代猪样本mtDNAD-loop 179bp的DNA序列,包括2个湖北青龙泉遗址样本和3个青海喇家遗址样本.序列比对分析发现,湖北青龙泉遗址与青海喇家遗址的样本分别共享1种单倍型.结合现代不同品种猪、野猪及黄河中下游猪古DNA序列信息,发现湖北青龙泉遗址样本与山西贾湖遗址的部分古代样本具有相同的单倍型,青海喇家遗址的样本与山西高红遗址和陶寺遗址的另外部分样本具有相同的单倍型,并且这2个单倍型对应于中国现代猪种的2个主单倍型,说明黄河上游与中下游的猪具有相同的驯化中心.本研究填补了黄河流域上游古代猪DNA研究的空白,为中国家猪的起源驯化研究提供了新的科学佐证.     

大鼠与小鼠内含子中插入、缺失与替换的速度与模式

研究了啮齿类动物大鼠与小鼠内含子中插入(insertion)、缺失(deletion)和替换(substitution)发生的速度与模式. 结果表明, 缺失比插入发生的频率高, 在大鼠和小鼠中单个碱基的插入与缺失发生频率最高. 插入与缺失发生次数随长度的增加而迅速减少, 二者的理论分布都符合幂次法则(power-law). 在大鼠内含子中, AT→GC的替换频率高于GC→AT, 但在小鼠内含子中GC→AT的替换频率高于AT→GC. 大鼠与小鼠内含子中存在的缺失偏好表明, 由于可能降低转录与剪切的效率, 内含子中的插入比缺失更容易受到自然选择的制约. 此外, 大鼠与小鼠内含子中的替换模式表明, 其内含子的组成及GC含量都处于非平衡状态.     

云南松口蘑的遗传多样性研究

分布于云南省9个地市13个县的56个松口蘑(Tricholoma matsutake)子实体进行了ITS序列、IGS序列和反转录转座子PCR图谱比较分析, 发现ITS序列只有一种单倍型, IGS序列有3种单倍型, 反转录转座子PCR图谱群体间的多态性不显著. 对比我国东北和日本松口蘑的研究结果发现, 云南松口蘑的遗传多样性较低, 云南松口蘑和日本松口蘑同源, 但松口蘑可能不是起源于云南.     

云南松口蘑的遣传多样性研究

对分布于云南省9个地市13个县的56个松口蘑(Tricholoma matsutake)子实体进行了ITS序列、IGS序列和反转录转座子PCR图谱比较分析,发现ITS序列只有一种单倍型,IGS序列有3种单倍型,反转录转座子PCR图谱群体闻的多态性不显著.对比我国东北和日本松口蘑的研究结果发现,云南松口蘑的遗传多样性较低,云南松口蘑和日本松口蘑同源,但松口蘑可能不是起源于云南.     

rps12基因在裸子植物中的分子进化式样

叶绿体rps12基因是所有叶绿体基因中最特殊的,由在基因组上相距甚远的两部分组成,含有3个外显子,经反式剪接作用编码核糖体小亚基S12蛋白.探究该基因的分子进化式样有助于理解该基因的进化过程及基因组特征.应用二代测序技术对南洋杉和柏木的叶绿体基因组进行测序;共选取78种裸子植物和2种蕨类植物,在系统发育背景下结合最大似然法,对rps12基因的进化速率、选择压力和适应性进化进行分析.结果显示,外显子3发生独立的碱基插入事件,发生插入的序列受到了更强的负选择作用;外显子2～3位于反向重复区,它们的替换率显著低于外显子1, rps12编码序列受到更强的负选择作用;适应性进化分析没有检测到正选择位点.结果表明,在裸子植物的进化过程中rps12基因结构稳定,并保持着相对较低的进化速率且表现出高度的保守特性;这为反向重复区具有降低的替换率提供了更多的证据,同时也揭示了裸子植物中存在的进化速率异质性现象.     

水稻mRNA多聚腺苷化信号位点的序列分析

大部分真核生物mRNA的加工涉及到mRNA前体的分裂/多聚腺苷化, 在3′-末端形成多聚腺苷酸(poly(A))尾巴. 为了研究水稻mRNA前体多聚腺苷化过程所必需的poly(A)加尾信号、下游调控元件和poly(A)位点等序列的特点, 用3′-末端带有poly(A) 的EST与全长cDNA序列进行比较, 建立了一个来自9953个基因的、覆盖12969条poly(A)位点两侧各40碱基序列的数据库. 结果发现, 只有7.9%的mRNA使用AAUAAA作为加尾信号, 超过60%使用AAUAAA的1~2个碱基变化的序列作为加尾信号, 11.5%的mRNA使用AAUGAA及其单碱基变化的加尾信号. 在约25%的mRNA的3′-末端存在多个poly(A)位点. 在90%的mRNA前体的加尾信号下游都能检测到富含U/GU的调控元件, 尤其在以AAUAAA的多碱基变化序列作为加尾信号的mRNA前体中, 半数以上都能在poly(A)位点两侧检测到下游调控元件. 而且, 这些调控元件的位置对poly(A)位点的选择有限制作用. 总之, 虽然水稻mRNA加尾信号的保守性较低, 但大量下游调控元件的存在保证了多聚腺苷化过程的正常进行.     

甜菜坏死黄脉病毒RNA4的菌传功能分析

构建了甜菜坏死黄脉病毒（BNYVV）RNA4全长核苷酸序列以及5种编码区突变体的侵染性cDNA克隆，不同结构伯RNA4体外转录物与只含有RNA1，2和3的BNYVV分离物总RNAs混合后分别接种寄主植物番杏（Tetragonia expansa）作为毒源，繁殖后接种甜菜，利用无毒甜菜多黏菌(Polymyxa betae）进行传毒实验，结果表明，RNA4编码区内各种缺失突变均能显著地抑制多黏菌的传播，但插入4个碱基的移码突变体对传毒没有影响，说明BNYVVRNA4中的部分核苷酸序列对于被真菌介体高效传播是必需的，并且可能是在RNA水平上具有功能。