调控染色质高级结构的蛋白质机器的系统鉴定与机制研究

染色质高级结构及功能研究是当前生命科学领域的国际前沿热点。染色质高级结构决定了基因的正确表达,其异常通常伴随着发育畸形和癌症发生。迄今为止,染色质高级结构如何建立和维持、如何行使功能、其动态变化及其与基因、细胞功能的关系尚不清楚。本项目整合团队在染色质高级结构蛋白质机器的功能基因组学、染色质高级结构蛋白质机器的功能动态调控以及染色质高级结构蛋白质机器的结构与组装方面的优势,围绕"染色质高级结构的调控及功能"这一关键科学问题,从3个角度深入研究拓扑相关结构域的形成与功能相关的蛋白质机器,包括调控染色质高级结构蛋白质机器的系统鉴定、单细胞和全基因组水平上染色质高级结构动态调控的机理研究、染色质高级结构对基因和细胞功能调控的结构基础和分子机制。     

DNA损伤应答相关蛋白质机器维持基因组稳定性与细胞稳态的机制

基因组不稳定性和细胞稳态失衡是衰老及肿瘤、糖尿病、神经退行性疾病等老年重大疾病的重要诱因,但其中的分子机制尚不清晰,因此缺乏有效的治疗靶标和手段。DNA损伤应答(DNA damage response,DDR)是维持基因组稳定性的关键,其过程包括损伤感应、信号激活和传导、效应等不同阶段,涉及分子识别和靶向募集、信号激活和传导、损伤修复和基因转录、细胞凋亡、转化与衰老等生物学过程。DDR依赖诸多损伤修复因子的直接参与,也需要染色质重塑(chromatin remodeling)及关键蛋白质机器的可逆性翻译后修饰的精细调控作用。国家重点研发计划蛋白质机器与生命过程调控重点专项项目"参与DNA损伤应答的新型蛋白质机器维持基因组稳定性的机制研究"针对DNA损伤应答的动态过程,聚焦染色质重塑(chromatin remodeling)与蛋白质翻译后修饰(post-translational modification,PTM),筛选、鉴定新型调控染色质重塑的蛋白质机器及新型蛋白质翻译后修饰,阐明其对DNA损伤应答的时空调控机制,阐明其结构特性,揭示其结构或功能异常所致DNA损伤应答缺陷,诱发基因组不稳定性、细胞稳态失衡和肿瘤发生发展的关联机制,筛选靶向先导化合物并探讨其在肿瘤治疗中的作用机制及应用,为药物研发、临床诊治提供新的理论依据。     

胚胎发育的核小体重排和染色质重塑

胚胎发育是由一个受精卵不断增殖分化形成多细胞个体的复杂生理过程,要求基因在时空上有精确的转录表达。核小体是真核生物染色质的基本结构单元,决定染色质结构,参与DNA复制、修复、基因转录等多种生理活动。核小体定位和染色质结构异常与出生缺陷密切相关。深入研究胚胎发育中的核小体重排与染色质重塑,将有助于我们理解核小体定位在胚胎发育、干细胞全能性维持等生理过程中的表观遗传调控机制,为降低出生缺陷提高人口健康提供理论依据和奠定基础。     

干细胞编程与重编程中表观遗传调控的分子机制和结构基础

干细胞研究因其重要的理论意义和广泛的应用前景而成为近年来生命科学研究的热点领域。目前人们在胚胎干细胞的定向分化和诱导多能干细胞细胞系的建立方面取得了重大突破,但对相关生物学过程的调控机制所知十分有限,干细胞应用仍然面临许多难题。表观遗传调控作为整合细胞内外环境因素与基因组遗传信息的媒介,直接参与控制基因表达,决定细胞分化与功能特异化,在干细胞的自我维持和定向分化以及体细胞重编程过程中发挥了非常重要的作用。"干细胞编程与重编程中表观遗传调控的分子机制和结构基础"国家重大科学研究计划项目围绕干细胞编程与重编程过程中的表观遗传调控所涉及的关键科学问题,利用多学科的研究方法和手段开展研究,目前已经取得了一批具有重大国际影响的突破性成果。例如,在国际上首次通过单细胞基因组学分析方法,实现了对人早期胚胎的DNA甲基化调控网络的系统分析;又如,利用染色质体外组装体系和冷冻电镜三维重构方法,在国际上首次解析了30 nm染色质纤维的高分辨率结构,在染色质高级结构这一重大科学问题上取得了突破性的进展。这些研究成果有助于深入理解人类胚胎干细胞及i PS细胞自我维持、定向分化、重编程等各个环节的表观遗传调控机制,将有力地推动基于干细胞的各种再生医疗技术和手段的应用进程。     

基因组稳定性与衰老发生及其干预

基因组DNA携带着控制细胞生长、分化的重要生命信息,其结构及功能的相对稳定是物种得以生存延续的前提与保障.越来越多的研究表明,DNA损伤修复能力的下降将导致基因组不稳定性的增加,最终成为诱导衰老及其相关疾病发生的关键因素之一.本文在综述基因组稳定性与衰老之间关系的基础上,探讨通过靶向DNA修复来干预衰老的发展趋势及其发...     

生物基因组非蛋白质编码转录组学及研究进展

RNA转录组学和功能组学的研究是目前生命科学领域的重要研究方向。生命的中心法则（由DNA转录RNA,再由后者翻译成行使各种功能的蛋白质）因调控RNA分子的发现而进一步得到扩展。最近的大量研究发现,自基因组中非蛋白质编码区转录的RNA分子具有重要的调控功能,即转录后的调控功能。在这些RNA分子中,内源性小干扰RNA分子、microRNA及piwi-RNA等的功能逐渐被揭示。本文对目前有关RNA转录组学研究进展做一简要综述。     

免疫细胞多样性产生中蛋白质机器调控基因组稳定性的机制

基因组编码的遗传信息是生命活动的基础,生物体进化出多套DNA损伤应答通路维持基因组稳定性。而"祸兮福之所倚",特定体细胞基因组的程序性异变又能赋予这些细胞新功能。获得性免疫系统中受体基因多样化是免疫细胞识别各类病原体的分子基础。在免疫T和B细胞发育中,重排酶RAG及脱氨酶AID在受体基因簇起始DNA损伤,这些程序性DNA损伤被易错修复解读为多样化的序列,最终造成受体分子多样化。免疫细胞受体基因多样化过程中,DNA损伤应答蛋白质机器维持基因组稳定性的分子机制是目前的研究热点也是相关免疫疾病诊疗的迫切需求。本项目将聚焦于免疫受体基因簇上程序性DNA损伤的应答通路抉择、空间调控机制以及淋巴瘤发生中基因组不稳定性产生的病理机制,发展癌症基因组染色体易位测序方法,探索在体外培养细胞中重现B细胞受体即抗体多样化的新技术。     

妊娠建立和维持的分子机制

国家重大科学研究计划项目"妊娠建立和维持的分子机制研究"实施近5年来,围绕"胚胎与母体相互作用决定妊娠结局的分子机制是什么?"这一核心科学问题,以"胚胎着床决定妊娠结局"这一全新理念为主线,在已有工作的基础上,利用多种转基因、组织特异性基因敲除小鼠模型和我国丰富的人类临床资源,集成和运用组学、遗传/表观遗传学、细胞/分子生物学等传统和新兴技术,在囊胚获得着床能力的分子基础、胚胎着床和子宫内膜—蜕膜转化的分子调节机制、胎盘发育与妊娠维持的调控、妊娠维持的免疫调节机制以及先兆子痫等妊娠疾病的发生机制等方面取得了重要进展,为我国胚胎着床和胎盘发育研究奠定了科学基础,为解决关键技术问题做出了贡献。本文对该项目的研究思路与主要研究成果做一介绍。     

Nucleoplasmin蛋白调节了细胞凋亡过程中的染色质凝集

染色质凝集与DNA断裂是细胞凋亡的两大特征，但二者之间的关系此前并不清楚。北京大学生命科学院生物膜与膜生物工程国家重点实验室卢智刚、张传茂和翟中和小组日前通过对爪蟾卵受精过程的研究发现，Nucleoplasmin蛋白对染色质凝集起到调节作用，它可以使精子染色质发生去凝集，并促进雄原核的形成。而Nucleoplasmin蛋白的功能受到其自身磷酸化状态的调节。     

超高时空分辨蛋白质机器动态成像

蛋白质是生命活动的主要执行者,一切生命活动都有赖于蛋白质功能的正确发挥。蛋白质机器,是指由大量蛋白质和生物分子形成的高维度的、复杂的超级功能复合体,此外也包括蛋白质与蛋白质或其他分子形成的低维度复合物及具有特定生物学功能的蛋白质分子。膜转运和跨膜信号转导是细胞的重要生命活动过程,与细胞命运和功能密切相关。细胞中蛋白质机器是高度动态的,由于组成复杂、功能多样,在分子水平研究蛋白质机器行为机制对成像技术提出了极大的挑战,针对重大生命过程中蛋白质机器动态组装与功能调控的分子机制这一核心科学问题,提出了解决这些难题的工作思路和重点研究内容。从提高成像时空分辨率、实现时空可控和多模态融合入手,发展多种新型成像和关联技术,揭示膜转运和跨膜信号转导等重要生命过程中蛋白质机器的作用机制。提出的主要研究内容包括下一代超高时空分辨结构光照明显微镜、超分辨荧光成像技术和原子力显微镜联用、时间相关的超分辨显微镜与冷冻电镜关联技术。     

遗传学部分新名词的译名和解释

基因组 genomeGenome这个名词于1922年第一次出现在遗传学文献中。中文译名为染色体组,后又译为基因组。随着遗传学研究的进展对基因组的涵义不断地赋以新的内容。一般的定义是单倍体细胞中的全套染色体为一个基因组,或是单倍体细胞中的全部基因为一个基因组。可是基因组测序的结果发现基因编码序列只占整个基因组序列的很小一部分。比如,人基因组中编码序列只占5%左右,换言之,人基因组中的非编码序列占95%以上。因此,基因组应该指单倍体细胞中包括编码序列和非编码序列在内的全部DNA分子。说得更确切些,核基因组是单倍体细胞核内的全部DNA分子;线粒体基因组则是一个线粒体所包含的全部DNA分子;叶绿体基因组则是一个叶绿体所包含的全部DNA分子。当然,也有人指出基因组应定义为一个细胞中所携带的全部遗传学指令。这是从基因组的功能着眼,因为基因组中的基因携带着编码产生蛋白质或RNA的遗传指令,同时基因组中的非编码序列携带着启动和调控基因活动的遗传指令。但是,基因组如果定义为全部遗传指令,那么,基因组的测序、作图和基因识别等就不易被人理解,遗传指令又怎么测序和作图呢？人类基因组计划 human genome project,HGP一般是指于1990年美国政府资助启动的研究人类基因组的计划。它被认为是生命科学研究领域中有史以来的第一个“大科学”项目,其意义和影响被誉为不亚于研究原子弹的“曼哈顿计划”和载人飞船登月的“阿波罗计划”。以后世界各国也都有各自的研究人类基因组的计划。HGP的主要内容是美国计划从1990至2005年间,历时15年,资助30亿美元,测定人类基因组的30亿对核苷酸的排列次序。由于实验操作上的考虑,必须把基因组DNA分子先打断成无数个小片段,然后测定每个小片段的核苷酸序列,最后把小片段连接回复到整个基因组。因此在测序前要先作图(mapping),即把每个小片段在整个基因组上的位置确定下来,以便今后可以有序地把小片段连接起来。HGP的工作内容除了作图和测序外,还有基因识别,模式生物(如大肠杆菌、酵母、果蝇、线虫和小鼠等)基因组的测序,发展生物信息学(bioinformatics)和研究HGP对伦理、法律和社会带来的冲击和影响等。在HGP实施过程中,特别是基因识别和基因克隆的成果,显现出巨大的商机。于是一些大跨国公司特别是医药行业的大财团纷纷斥巨资介入人类基因组研究领域。1998年5月美国的塞莱拉基因组学公司(Celera Genomics Inc.)宣布将于2001年完成人类基因组的工作草图(working draft),并于2003年最终完成人类基因组测序,在此态势下,美国政府也于1998年10月宣布调整HGP的工作进度,提前于2003年底前完成基因组测序。2000年6月26日,有美、英、德、日、法和中国参加的国际人类基因组测序联合体与美国塞莱拉公司联合宣布各自分别完成了人类基因组的“工作草图”。中国承担并完成了人类基因组1%的测序,即测定3000万对核苷酸序列。人类基因组工作草图 human genome “working draft”人类基因组的作图和测序是一个由粗到精的过程,是先把整个基因组打断成小片段,然后再把小片段连接复原。工作草图又称框架图,是一幅粗线条地绘制成的基因组图,它的特点有三：①应包含人体绝大多数基因的序列;②由于作图是由小片段连缀而成,所以会因丢失小片段而在图上留下空档(gap),工作草图可以留下空档,但对整个基因组的覆盖率应在90%以上;③草图中核苷酸序列的差错率可以高于最终所要求的万分之一,但不能超过百分之一。作图 mapping基因组研究中,确定遗传标记如基因、酶切位点、特定的DNA序列等在染色体上的位置,并计算它们之间的距离,称为作图。图可以分为遗传图(或遗传连锁图)、物理图两种。遗传图是根据两个遗传标记之间发生重组的频率来确定彼此在染色体上的位置和距离。两者相距远,发生重组的频率高;两者相距近,则连锁很紧密,不易发生重组。如果两个遗传标记分别位于两条染色体上也就不会发生重组。重组发生在细胞减数分裂期间,因此要分析上下代的染色体上的遗传标记出现的频率方能计算出两个标记在染色体上的相对距离。物理图则是把遗传标记直接定位在染色体DNA分子上,彼此间的距离也可用碱基对的多少来标定。基因组DNA测序后的全序列图是最精密的物理图,因为这幅图表明了几十亿个核苷酸的排列次序,标记物就是单个核苷酸。叠连群 contig一组克隆载体中插入的DNA片段,可通过末端的重叠序列相互连接成为一个连续的DNA长片段,这一组DNA片段即构成了一个叠连群。叠连群主要用于DNA测序和基因组作图。因为DNA的测序和作图时,一个很长的DNA分子在实验时是无法操作的,必须把它先切割成为小片段,然后把小片段连接起来,就是通过两个小片段末端共有的序列,相互叠加而连成长片段。因此,叠连群中小片段之间叠加的相同序列越短,研究工作效率则越高。表达序列标签 EST,expressed sequence tag在人类基因组研究中,有一个区别于“全基因组战略”的“cDNA战略”,即只测定转录的DNA序列,也就是测定基因转录产物mRNA反转录产生的互补DNA——cDNA。cDNA代表了基因中编码蛋白质的序列。EST则是cDNA的一个片段,一般长200～400个核苷酸对。一个全长的cDNA分子可以有许多个EST,但特定的EST有时可以代表某个特定的cDNA分子。两端有重叠的共有序列的EST可以组装成一个叠连群(contig),直到装配成全长的cDNA序列,这样就等于是克隆了一个基因的编码序列。将EST定位在基因组,也可作为基因组作图时的一种标记序列。互补DNA cDNA,complementary DNA信使RNA(mRNA)分子的双链DNA拷贝。构成基因的双链DNA分子用一条单链作为模板,转录产生与其序列互补的信使RNA分子,然后在反转录酶的作用下,以mRNA分子为模板,合成一条与mRNA序列互补的单链DNA,最后再以单链DNA为模板合成另一条与其互补的单链DNA,两条互补的单链DNA分子组成一个双链cDNA分子。因此,双链cDNA分子的序列同转录产生的mRNA分子的基因是相同的。所以一个cDNA分子就代表一个基因。但是cDNA仍不同于基因,因为基因在转录产生mRNA时,一些不编码的序列即内含子被删除了,保留的只是编码序列,即外显子。所以cDNA序列都比基因序列要短得多,因为cDNA中不包括基因的非编码序列——内含子。克隆 clone用作名词时,克隆是指由遗传组成完全相同的分子、细胞或个体所组成的一个群体。例如,核苷酸序列完全相同的DNA片段或基因的众多份拷贝,就称为DNA分子克隆或基因克隆。来源同一个祖细胞的基因型完全相同的众多子细胞,就构成了一个细胞克隆。抗原分子刺激后会产生抗体分子,如果是一种抗原分子刺激后产生的是单克隆抗体;如果是多种抗原分子刺激后产生的则是多克隆抗体。通过无性繁殖获得相同基因型的生物体,这是个体克隆,也称为无性繁殖系。用作动词时,克隆是指运用DNA重组技术将某一特定基因或DNA序列,插入一个载体分子,然后将这个重组分子转入宿主细胞中复制增殖,使被插入的基因或DNA分子形成众多的拷贝。克隆也指分离出单个分子或单个细胞的操作过程。例如,克隆基因是指从基因组或DNA大片段中分离出某个基因或某种DNA序列;克隆细胞则是从许多类型的细胞群体中分离出某种特定类型的细胞。用作动名词(cloning)时,指分离出某一特定的基因、DNA分子或细胞后,用一些实验方法使在数量上增多以形成由许多份拷贝构成的一个群体,有时将这一过程称为克隆化。模式生物 model organism在人类基因组研究中十分注重模式生物的研究,这是由于要认识人体基因的功能,无法直接用人体作为实验对象。但是,生物是从共同祖先演化而来的,所以对生命活动有重要功能的基因在进化上是保守的,也就是说,这些基因的结构和功能,在低等生物和高等生物中是相似的。因此,可以用比较容易研究的生物作为模型来研究其基因的结构和生物学功能,由此获得的信息可以使用于其他比较难以研究的生物,特别是推测相似的人体基因的功能。例如,果蝇、小鼠甚至酵母等基因组都有与癌症发生相关的癌基因和抗癌基因,与细胞死亡、衰老有关的基因,以及与引起人类某些遗传病的相关基因。染色体 chromosome指经染料染色后用显微镜可以观察到的一种细胞器。在细菌中,染色体是一个裸露的环状双链DNA分子。在真核生物中,当细胞进行分裂期间染色体呈棒状结构。染色体的数目是随物种而异,但对每一物种而言,染色体的数目是固定的。比如人的染色体在二倍体细胞里是46条,在生殖细胞里则是23条。染色体是由线性双链DNA分子同蛋白质形成的复合物,真核生物的核基因就分藏在每条染色体中,所以,染色体是基因的载体,也就是遗传信息的载体。一个细胞里的全部染色体也就包含了这个生物体的全部遗传信息。序列 sequenceDNA分子是由4种核苷酸(A,T,G,C)排列组成,DNA序列就是组成某一DNA分子的核苷酸的排列次序。蛋白质的一级结构是由20种氨基酸线性排列构成。蛋白质序列就是构成某种蛋白质如氨基酸线性排列次序。因此,测序(sequencing)就是用实验方法,测定DNA分子中核苷酸的种类及其排列次序,或者测定蛋白质分子中氨基酸的种类及其排列次序。人基因组测序是指测定构成人基因组的约30亿个核苷酸的种类及其排列次序。基因组中的DNA序列可以分为两大类：一类是单一序列,即在基因组中这种核苷酸的排列次序只出现一次或只有一份拷贝;另一类是重复序列。指某种核苷酸排列次序在基因组出现的次数或其拷贝数少则几份,十几份,多的可达几万份甚至几十万份。构成基因的极大多数是单一序列。重复序列则基本上全是非编码序列,它们的生物学功能是一个尚未解开的谜团。遗传密码 genetic code这是支配信使RNA(mRNA)分子中4种核苷酸的线性序列,同由它编码的蛋白质中20种氨基酸的线性序列之间关系的法则。基因是DNA分子。DNA分子由4种核苷酸(A,T,G,C)排列组成。不同的基因所携带的不同的遗传信息,编码在不同的核苷酸序列中。遗传信息要翻译成另一种语言即蛋白质的氨基酸序列,才能实现其生物学功能。可是,DNA并不是直接把遗传信息传递给蛋白质,而是先转录成mRNA,然后以mRNA为中介来决定蛋白质中的氨基酸序列。一个线性mRNA分子的核苷酸序列,决定一个线性的蛋白质分子的氨基酸序列。mRNA同DNA一样,也是由4种核苷酸组成,所不同的只是mRNA用U代替了T,即A,U,G,C4种核苷酸。蛋白质由20种氨基酸组成。mRNA分子中的核苷酸以三个为一组,如AAA,AUA,AUG……构成了一个密码子;一个密码子决定一种氨基酸。mRNA的4种核苷酸组成的密码子可以有4³=64种。64种密码子决定20种氨基酸。因此密码子是冗余的或简并的,即一种氨基酸可以有不止一个密码子。比如编码甘氨酸的密码子就有4个：GGU,GGC,GGA和GGG,编码精氨基酸的密码子则有6个：CGU,CGC,CGA,CGG,AGA和AGG。不同的基因有不同的核苷酸序列,决定不同的氨基酸序列,产生不同的蛋白质,行使不同的生物学功能,最后使生物体出现不同的性状。这种遗传密码是在20世纪60年代早期破译的。基因库 gene pool有性生殖生物的一个群体中,能进行生殖的个体所携带的全部基因,或全部遗传信息,或者是一个群体中所有个体的基因型的汇总。对二倍体生物而言,有N个个体的一个群体的基因库,由2N个单倍体基因组所组成。基因文库 gene library一个生物体的基因组DNA用限制性内切酶部分酶切后,将酶切片段克隆在载体DNA分子中,所有这些插入了基因组DNA片段的载体分子的集合体,将包含了这个生物体的整个基因组,也就是构成了这个生物体的基因文库。基因型分型 genotyping这是确定一条染色体上一些基因,DNA序列或遗传标记的连锁组合,实际上就是确定一条染色体上某个区段的单体型(haplotype)。现在有的译为基因分型是不够确切的,因为分型的不止有基因,而主要是遗传标记。共线性 synteny一个物种的基因组中相互连锁的基因,在另一物种的基因组中也是连锁关系,而且在两个物种的遗传图上的位置也是相似的。例如,人和小鼠之间就有一百多个共线区。在进化过程中一些基因始终保持着连锁关系,这意味着这种连锁可能在一定条件下具有选择上的某种优势。这对研究基因功能之间的相互关系提供了有用的线索。种间同源基因 ortholog不同物种中起源于一个共同的祖先基因的一些同源基因。这些基因通常保持着相同的或相似的功能。种内同源基因 paralog在进化过程中的一个基因通过重复而生成许多个基因,这些基因逐步分化成为不同的基因,这些不同的基因称为种内同源基因。例如,在脊椎动物进化过程中,祖先珠蛋白基因位置重复而后逐步分化成α珠蛋白基因、β珠蛋白基因和肌球蛋白基因等。混编 shufflingShuffling的原意是扑克牌的洗牌,54张牌在洗牌后可以有无数种的排列组合。在新基因的生成和基因进化研究中,借用shuffling这个词,提出了“外显子混编(exon shuffling)”和“结构域混编(domain shuffling)”等假说。即新的基因是由原来的基因打断后的断片混编而成的,或者是由编码蛋白质结构域的基因片段混编而成。这种基因片段可能就是外显子,因此称为外显子混编。表观遗传学 epigenetics研究基因的核苷酸序列不发生改变的情况下,基因表达出现了可遗传的变化的一门遗传学分支学科。表观遗传的现象很多,已知的有DNA甲基化,基因组印记(genomic imprinting)和RNA编辑(RNA editing)等。朊粒 prion蛋白质性质的感染颗粒的简称。(我注意到对这个译名有不同的意见,已提出的有“朊病毒”,“感染朊”或干脆音译为“普立昂”。朊病毒有点牵强附会,prion并不具有病毒的特征。感染朊是可以考虑的,但不如朊粒简明。)酶性核酸 ribozyme具有酶一样催化活性的核酸分子,有的译为“核酶”似不大贴切。* 赵寿元教授是全国科学技术名词审定委员会第四届委员会委员;遗传学名词审定委员会主任(第二届)。(注：“小词典”栏中的词目并不都是经审定过的规范词。)     

控制肝脏组织发育、再生重塑与大小的关键蛋白质机器

肝脏损伤、功能衰竭及肝癌等疾病是我国重大健康问题,它们的发生发展与肝脏再生重塑及大小调控异常密切相关。针对肝脏发育、再生及大小控制机理的基础研究对于解决上述重大肝脏疾病的临床需求具有重要意义。前期研究发现Hippo信号通路在调控细胞增殖及分化、干细胞命运等方面起着关键作用,而Hippo通路的失调可导致肝脏等器官发育和大小异常,严重影响受损组织再生与重塑,或导致肿瘤迅速发生。本项目拟以肝脏为研究对象,聚焦Hippo相关信号网络如何感知器官大小并适时调控细胞生长、分化与死亡以实现器官发育、再生重塑和器官大小控制这一关键科学问题,整合基础、临床、药学领域的先进研究技术,拟通过基因编辑、内胚层干细胞肝向分化、肝细胞移植和肝脏重建、肝脏损伤修复等模型、临床病理分析、蛋白结构解析和靶向药物设计等方法,深入探讨该通路失控导致肝脏发育异常、再生重塑障碍、癌症发生的致病机理,并提出靶向干预新策略。     

生物信息学

生物信息学(Bioinformatics)是一门生物学与信息学交叉而成的年轻学科,旨在研究生物系统与生物过程的信息量与信息流,以便支持人口与健康、农业生产、创新材料和资源环境等领域的研发计划。其中基因组信息学(genome informatics)、结构生物信息学(Structural Bioinformatics)和神经信息学(Neuroinformatics)是较热门的分支。生物信息学由数据库、应用软件和因特网三大要素组成。20世纪60年代,蛋白质氨基酸序列和蛋白质三维晶体结构测定成功后,出现存储与研究蛋白质序列信息与结构信息的工作,像美国女科学家Dayhoff建立了第一个分子生物学数据库“Atlas of protein sequence and structure”,亦即现今数据库PIR的前身;Zuckerkandl与Pauling提出运用蛋白质序列推断生物种族的进化历史以及Anfinsen根据核酸酶再折叠试验提出“氨基酸序列决定它的三维结构”原理。到70年代核酸序列测定已获成功,特别是Sanger等人开始病毒基因组的测序工作,吸引了众多计算机科学家、数学家和物理学家加盟,去实现数据在线采集与建立数据库以及数据检索、处理、分析、显示和流通等目的。经过近十年的努力,取得一批崭新成果,分别收录于1982年、1984年和1986年的《核酸研究》(Nucleic Acid Research)的特刊中。随后蛋白质序列库PIR与SwissProt,核酸序列库GenBank与EMBL以及蛋白质结构库相继出台服务。以上计算分子生物学工作和数据库建设为90年代诞生生物信息学准备了科技条件。1986年美国科学家Dulbecco在《科学》(Science)上发表题为《癌症研究的转折点——测定人类基因组序列》的文章,在科技界引起了强烈反应。经过激烈的辩论,终于在1990年公布了美国的人类基因组计划,随后形成国际人类基因组计划。在它的第一个五年计划中,第三项目标是基因组信息学,要求研发有效的数据库、应用软件和网络传输等信息技术,来支撑大规模图谱与测序以及诠释基因组信息。同年,召开了第一届国际生物信息学会议。在第二届国际会议上正式使用Bioinformatics一词。到2001年已是第10届会议,会议内容涉及序列和结构数据库、基因识别、基因组比较、基因组功能分析、DNA芯片信息学、分子进化和蛋白质组学等方面。还有每年一次的计算分子生物学会议,像国际计算分子生物学会议(RECOMB),生物计算太平洋会议和分子生物学智能系统国际会议(ISMB)等,是国际生物信息学界的盛会。我国的生物信息学工作是逐步地发展起来的。20世纪80年代初仅在中国科学院生物化学研究所与生物物理研究所和内蒙古大学物理系艰难地开展一些计算分子生物学的工作,像RNA二级结构预测、分子动力学、核酸序列的统计分析和蛋白质二级结构预测以及精神分裂症的脑复杂度分析等。至1986年,国家“863计划”支持几个单位用计算生物学实施蛋白质工程,如中国科学院的生物化学所、生物物理所和药物所,以及北京大学化学系和中国科大生物系。1990年这些单位率先开展生物信息学研究工作和实施相应的博士和博士后培养计划。1992年中国生物物理学会召开以“蛋白质工程、基因组分析与非线性生物学”为题的全国首届生物信息学会议,比首届国际生物信息学会议仅晚2年,但没有引起管理层和科技界注意。随后,北京大学化学系与生物系也分别开放蛋白质结构库(PDB)和欧洲生物信息学研究所(EBI)映象数据库服务。几年后,国际“基因组计划”变得十分火热。国内随即成立中国科学院国家基因研究中心和中国人类基因组南、北研究中心,分别负责“水稻基因组计划”和“人类基因组计划”。其中,中国科学院遗传所的人类基因组中心异军突起,克服重重困难于1999年9月代表中国承担国际人类基因组计划中1%的任务,即3号染色体短臂上的一个约30MB区域的测序。它成为中国各个基因组项目中最具影响和实际产出最明确的主要部分。由此,生物信息学顿时成为公众宠儿,科技界角逐的领域。除此之外,1993年美国国立健康研究院(NIH)宣布实施“人脑计划”。在头五年中主要发展神经信息学(Nuroinformatics),并于2000年6月在《自然》(Nature)杂志发文提议建立国际神经信息网络。国内与此差距甚大,但仍有积极响应。人类基因组计划的工作方式在生物领域中是前所未有的,采用了工业化模式的大科学工程。生物信息学解决了由此产生的海量信息的采集、存储、处理、共享、流通、服务和开发等挑战性问题。至今即将完成或已经完成测序的有人、褐鼠、黑腹果蝇、秀丽线虫、拟南芥菜、水稻、啤酒酵母等真核生物以及近百种微生物。其中重大的成就有：1.整基因组的测序原理和集装方案的提出和实行。从20世纪70年代简单病毒基因组测序开始到如今实施整基因组测序和集装,历经了整整20年的努力。2.从集装成的基因组序列预测基因,提示蛋白质功能,结构与功能分类,最后构成面向对象的数据库(ACEDB),无不依赖于生物信息学的支撑。3.后基因组的发展,如结构基因组学,功能基因组学,蛋白质组学、疾病基因组学,药物基因组学和环境基因组学等,更离不开高效、灵敏和准确的生物信息学。其中阵列信号检测(如DNA/Protein chip)的统计分析和众多基因组间的平行比较是典型的例子。与国际上生物信息学的重大成就相比,我国的研究呈现三种状况：一是序列基因组学(图谱与测序)中所用的生物信息科技(软硬件)多半从国外移植和拷贝;二是依靠国外生物信息中心(例如EBI和NCBI等)建立北京大学生物数据映象中心;三是中国生物信息学的本土基础力量较薄弱。尽管如此,仍取得了一些好的成果。这些成果包括：1.中国科技大学施蕴渝院士的研究组成功地发展了分子动力学,且用于蛋白质工程。尤其她将分子动力学和量子化学程序结合用来模拟酶促反应,是国际上少数成功事例之一。2.应用序列同源性搜索和基因电子克隆技术大大加快了新基因的发现。例如夏家辉院士的研究组发现了遗传性高频耳聋的疾病基因以及克隆了新的蛋白质激酶基因DyRk3和识别了人的auxilin基因。3.中国科学院生物化学研究所丁达夫研究组根据分子生物学的序列、结构和功能的基础关系在三个方面得到了好结果：① 从序列模建蛋白质三维结构。其中关键一步是序列—结构联配,在国际上是较早实行者之一。② 蛋白质分子设计。其中创新之处是氨基酸序列选择、侧链构象安装和主链骨架柔性的平行组合筛选,以及在小分子骨架上嫁接功能活性区。③ 基因组功能预测。其特点是发展了进化踪迹法,比通常的同源搜索方法有较高的正确率,且可延拓到细胞生化功能(代谢途径与调控网络)的预测。4.另外,中国科学院生物物理研究所陈润生研究组发现基因组的Junk DNA序列(即不编码基因的DNA序列)可能存在特异的编码方法,且与基因组调控网络关联。还有,中国科学院昆明动物所刘次全研究组,北京大学来鲁华研究组,以及内蒙古大学罗辽复研究组在结构生物信息学和基因组统计分析方面都有显著的成就。今年二月份《自然》和《科学》分别公布了国际人类基因组联合体和Celera基因组公司的人基因组测序结果。他们都认为这只是破解生命奥秘的良好开端,而不是完满的结束,基因组功能是永恒的主题。而且提出了一些实质性的问题,例如：1.基因组复杂性。虽然人和大猩猩的基因组仅差1%～2%,但是他们的基因组表达及其调控乃至整体行为却有很大差异。基因组复杂性同基因数、神经元数和细胞类型数没有直接关联。有人提出生化网络(代谢和调控)的复杂性才是基因组复杂性的表现。2.基因表达图谱(像DNA chip)可揭示整体细胞基因表达信息,是基因组功能分析方面的主要进展。然而细胞或组织中的mRNA丰度与蛋白质丰度的统计关联是不显著的(在人肝中0.48,在酶中小于0.4),因此基因组的后翻译修饰及其与环境的相互作用(epigenetics)对于理解生命的活动是不可缺少的,从而必须开展蛋白质组学和环境基因组学的研究计划,药物基因组学才能有较大的发展。毫无疑问,面对这些巨大系统工程,生物信息学看到的既有挑战又有机遇。     

基于基因组不稳定性的新型蛋白质机器在肿瘤发生发展中的作用、机制及干预

恶性肿瘤已成为我国居民第一死因,严重威胁着人民生命健康。基因组不稳定性是恶性肿瘤的关键特征之一,包括染色体的易位、缺失和基因变异等方面,可产生激活的癌蛋白、失活的抑癌蛋白或融合蛋白。这些蛋白在肿瘤细胞中的表达具有差异性,可组成促进肿瘤发生发展的蛋白质机器,调控肿瘤干细胞与肿瘤微环境,导致肿瘤治疗抵抗和复发转移,是理想的诊治靶标。然而,肿瘤特异性靶点及其药物依然非常有限。筛选和鉴定基因组不稳定性引起的参与肿瘤发生发展的新型蛋白质机器,对其功能机制进行深入研究,研发抗肿瘤的新型靶标和诊疗手段,对推进癌症的攻克具有重要意义。本项目研究目标主要包括:(1)发现和鉴定10~15种基于基因组不稳定性产生的与肿瘤发生、发展密切相关的新型蛋白质机器;(2)阐释基于基因组不稳定性的蛋白质机器的组成、功能、结构、修饰、作用网络和调控机制;(3)揭示基于基因组不稳定性的蛋白质机器对肿瘤干细胞、肿瘤微环境和治疗耐受的影响机制。     

胃癌发生的生物学行为、分子机制及防治研究

胃癌是我国发病人数和死亡人数最高的恶性肿瘤之一.由于西方该病少见,可借鉴的经验不多,我们必须开展自主研究胃癌变过程中的分子机制从而解决胃癌的根本问题.本课题组已进行了16年的胃癌发病机制和防治的系统研究.研究内容包括:胃幽门螺杆菌感染所致胃癌机制和清除幽门螺杆菌对预防胃癌的价值;胃癌前病变到胃癌变过程中的基因异常和表观遗传学异常;胃癌关键分子的基因结构及表达调控异常;胃癌发生发展过程中的生物学行为及其相关的易感基因群及其相互作用网络.     

基因组考古学:从现存物种寻找祖先生活的遗迹

基于基因组中不仅存在着现在能够编码的基因,而且存在着大量非编码DNA序列的事实,作者认为:一个基因组中的基因和非编码DNA序列共同保留着该物种所经历的进化事件、外在环境的变迁和内在结构与功能的演变的信息。发明出适当的科学方法,就可以将这些信息逐步破译出来,从而创建一门不同于化石考古学和古分子考古学的基因组考古学新学科。     

同舟共济扬帆起乘风破浪万里航——深圳华大生命科学研究院沈玥研究团队

DNA双螺旋结构的发现使得生命科学研究步入分子生物学层面.基因组DNA作为遗传信息的载体,对其进行"读、写、存"是未来生命经济的基石和新动能."读与存"实现生物资源的信息化数据解读与存储,"写"则通过生命遗传信息深入挖掘与功能改造,促进生命现象的理解与生命大数据的下游转化,三者相辅相成,共同支撑生命科学领域的科学研究和...     

非编码RNA对干细胞命运的调控及其分子机制

干细胞研究的发展为人类重大疾病的治疗提供了新的途径和希望。已知多种调控因子影响干细胞的功能和应用,探讨干细胞增殖分化调控机理的基础理论研究将大大推进干细胞的临床应用。近年来,研究发现非编码RNA分子能够调控干细胞的功能。为此,2011年国家重大科学研究计划设立重大科学问题导向项目——非编码RNA对干细胞命运调控的机制研究。在该项目的资助下,项目组在非编码RNA对干细胞命运的调控机理研究方面取得一批原创性的研究成果。本文总结了项目组取得的突破性研究进展及存在的问题和未来的发展方向。     

谈《遗传学名词》（第二版）公布出版

《遗传学名词》(第二版)已由全国科学技术名词审定委员会公布出版,本刊作部分选登。1989年全国自然科学名词审定委员会(现称“全国科学技术名词审定委员会”)公布了《遗传学名词》(第一版),审定了遗传学名词1519条,少数名词附有简短释文。2001年,中国遗传学会受全国科学技术名词审定委员会的委托,组成了第二届遗传学名词审定委员会,负责修订第一批公布的名词并全部补上释文,同时扩大收录名词的数量。在遗传学界四十多位学者的通力合作下,经过五年努力,从收集到的6000条名词中,先遴选出3000多条并写出释文,然后在广泛征询意见和开会逐一讨论的基础上反复推敲,精心雕琢,完成了全部审定工作。2006年3月出版公布了《遗传学名词》(第二版),共收录审定名词2358条,比第一版增加了55%。遗传学是生命科学领域中各个学科的基础,特别是随着分子遗传学的发展,遗传学在生命科学领域的中心地位日益明显;遗传学使用的术语和名词广泛地渗入其他学科。在审定第一批遗传学名词时,基本上已解决了经典遗传学名词或遗传学专用名词的规范统一;因而第二版任务的重点为收录和注释新出现的名词特别是分子遗传学和基因组学的新名词,以及尽可能地与其他相关学科如细胞生物学、生物化学和分子生物学、免疫学和医学等取得统一,这明显地增加了工作的难度。在过去五年的工作中,主要采用了以下几种做法。1.根据遗传学的内涵来定名和释义对于多个学科共用的名词,主要根据遗传学的内涵来审定。例如,cryptic splice site有“隐性剪接位点”和“隐蔽剪切位点”两种译名,我们选定的是后者。因为在遗传学中,“隐性”和“显性”是描述生物性状遗传的方式,若用“隐性剪接位点”则容易使人误解这个剪接位点是以隐性方式遗传的。同理,cryptic structural hybrid定名为“隐蔽结构杂种”,cryptochimera定名为“隐蔽嵌合体”。又如,orthologous gene和paralogous gene的译名原来分别是“直系基因”和“旁系基因”。这是根据英文单词直译的,没有反映出名词的科学内涵。根据遗传学研究的结果,orthologous gene指的是不同物种中起源于同一个祖先基因的一些同源基因;paralogous gene则是指在进化过程中一个物种的某个基因发生倍增(duplication)后再演化成若干个同源基因。因而,把前者定名为“种间同源基因”,后者为“种内同源基因”。2.固定英文名词和中文名词的对应关系遗传学的不少名词是两个单词缀成的复合名词,把英文单词固定地译成一个中文单词,就可减少一词多名。例如,我们将gene和genetic分别译为“基因”和“遗传”,不相互通用。这样,gene theory是“基因学说”,genetic engineering是“遗传工程”等。同样,在描述DNA的一级结构或其功能时,经常用box来表明一些特定的核苷酸序列。于是,把box统一译成“框”,“框”并不是把若干个核苷酸框在一起的实质性结构,而只是人们在写核苷酸线性序列时,把具有某种功能的核苷酸框出来,如××××××中的“TATA框”;其他如“同源异形框”(homeobox)、“CG框”等。至于cassette则译作“盒”,如与酵母交配型转换模型相关的沉默盒(silent cassette)和活性盒(active cassette)。生物化学和分子生物学名词审定组也把reverse统一译作“逆”,而不译作“反”,如逆转录酶、逆转录病毒等,anti-则译作“反”。又如把inhibition译作“抑制”,suppression译作“阻抑”,repression译作“阻遏”等,这些想法都不谋而合。但可惜的是在获悉他们的这个具体做法时,《遗传学名词》(第二版)已经出版,想要同其他学科的定名取得统一已来不及了。3.采用“又称”“也称”等以期求同存异各个学科各有自身发展的历程,对一些名词的使用已约定俗成,形成了传统习惯,这对取得统一带来困难。这需要有较长时间的讨论、协商和磨合,方能取得成效。因此,与其在短期内强求一致,不如在各个学科之间先兼容并存,待以后再趋统一。所以采用“又称”“也称”等方式介绍两个同义的名词。例如,alternative splicing为“选择性剪接”又称“可变剪接”等。有些争议比较大的名词,如ribozyme,生化学界一直沿用“核酶”。可是,从英文单词和名词的科学内涵来看,译成核酶是比较牵强的。ribo-代表的是核糖而不是核;-zyme虽然是代表酶(enzyme),但ribozyme毕竟不是生物化学中所说的酶,因为酶是蛋白质而ribozyme是核糖核酸。所以,ribozyme的确切名词应是酶性核酸,是具有像酶一样的催化活性的一种核糖核酸。只是考虑到生化学界一直沿用核酶,所以兼收了这两个名词。prion该怎么译,一直争论不休,莫衷一是。目前存在的名词有十多种,如朊病毒、朊粒、朊毒体,蛋白感染子、感染朊,普恩蛋白、普利朊、普里安和普里昂等。prion的全称是proteinaceous infectious particle,即蛋白质感染性粒子。由于prion不含核酸,肯定不是病毒,因而不能称为朊病毒;朊代表蛋白质,朊粒、蛋白质感染性粒子等都比较贴切,但未能达成共识。为此,采用了类似基因(gene)、克隆(clone)等名词音译方式,把prion定名为“普里昂”,同时兼收了两个“又称”的名词：“朊粒”和“蛋白质感染性粒子”。《遗传学名词》(第二版)的出版标志着第二届遗传学名词审定委员会的任务已告完成,同时又意味着收集辑录和统一更多遗传学名词的开始。名词的收集和注释要与学科的发展同步,及时地从新发表的文献中积累,并尽可能地及早提出一个规范的名词。长期滞后是不利于学术交流的,因为这不仅会长期存在一实多名,而且对以后统一规范增加难度。表观遗传学的定名就是一个很好的例子。Epigenetics见诸文献后,就出现了表遗传学、外遗传学、后生遗传学等,在复旦大学《英汉遗传工程词典》第三版刊出的表观遗传学的推动下,很快得到了认同。同样,对loop的译名,已有学者提出应以“襻”取代过去的“环”,这是一个很好的意见,应引起重视。又如,1998年第一次出现的名词metagenomics,已有多种译名,如元基因组学、宏基因组学和超基因组学等。可是,这些名词都不能望文生义地了解专门学科的内容。实际上,它研究的是一个生态环境中混杂了各种生物体基因组的总体,即不是一种生物体的基因组而是多种生物体基因组混杂在一起的DNA,所以称为混杂基因组学比较贴切。* 赵寿元教授为遗传学名词审定委员会主任。