基因组信息、密码进化、折叠动力学和熵产生——理论生物学的几个基本问题

 数千个基因组的测序完成,海量资料数据呼唤着生命科学的理性和实证性更完美地结合。基因组信息学是理论生物学的龙头。本文遵循生命信息运行的密码—序列—结构—功能的主线,论述了生命科学的理性化途径,讨论了若干基因组生物学的基本问题。着重总结了理论生物学领域的部分工作,包括：① 基因组序列识别码的形成和构建,一组描述碱基分布和碱基关联的统计量集合可作为基因组的识别码;② 基因组的进化方向和最大信息原理,提出基因组序列的编码信息量在进化中随时间增长的规律,指出DNA序列局部片段遵循最大信息原理;③ 遗传密码的适应性进化,证明普适标准密码表是突变危险性的适应性极小码,论证了遗传密码既具有稳定性,又具有可进化性;④ 基于量子跃迁的蛋白质折叠动力学,用量子跃迁的观点和理论研究如何处理从序列到结构,导出蛋白质折叠速率公式,解释了现有各种速率实验;⑤ 细胞开关相变和熵产生,研究了最简单生命噬菌体的溶原态/裂解态转变动力学,得到了此类细胞开关中熵产生的特异性规律。     

一株新型溶藻弧菌噬菌体φV039C的生物学特性和全基因组分析

对一株溶藻弧菌噬菌体φV039C进行了生物学特性和全基因组序列的研究。经透射电镜观察可见,噬菌体φV039C头部为正廿面体结构,直径58.9 nm,具长105.2 nm的尾部;采用双层平板法检测,其最佳感染复数为0.1;通过一步生长曲线计算可得,噬菌体φV039C的潜伏期为20 min,爆发期为10 min,裂解量为163 pfu/cell;利用第三代单分子测序平台进行全基因组测序分析,其基因组全长43 405 bp,G+C含量为42.95%,74个开放阅读框（ORF）主要为噬菌体的结构、DNA复制和裂解有关的基因;在NCBI数据库中进行基因组比对,发现与其最接近的长尾噬菌体科的溶藻弧菌噬菌体NF和副溶血弧菌噬菌体Seahorse的覆盖率仅为11%（覆盖区域的相似度分别为92.2%和93.3%）,此外,基于裂解酶构建的系统进化树也表明,φV039C与二者处于距离最近的分支。由此得出,溶藻弧菌噬菌体φV039C是一株新型的噬菌体,分类上应归属有尾噬菌体目长尾噬菌体科。     

草酸青霉外切葡聚糖酶CBHⅠ基因的克隆

以草酸青霉SJ1菌株的基因组DNA和总RNA,利用PCR和RT-PCR技术进行扩增得到外切葡聚糖酶CBHⅠ(ExocellobiohydrolaseⅠ)基因的序列.CBHⅠ基因DNA序列全长1 638 bp,无内含子,编码545个氨基酸的多肽,推测其蛋白分子大小约为57 ku,蛋白的p I值为4.90.预测结果表明,CBHⅠ是一种很强疏水性的蛋白,具有43个磷酸化修饰位点,蛋白质三级结构以β-折叠为主,根据蛋白质序列比对分析,推测E236、D238和E241这3个氨基酸为酶的活性位点,为后续利用分子改造方法提高青霉产纤维素酶的能力提供理论依据.     

质型多角体病毒侵染、转录调节机制的研究进展

质型多角体病毒(Cytoplasmicpolyhedrosisvirus,CPV)隶属呼肠孤病毒科Reoviridae质型多角体病毒属Cypovirus,通常基因组由10个节段双链RNA构成。根据病毒基因组dsRNA片段在聚丙烯酰胺或琼脂糖凝胶中电泳图谱的差异,目前CPV已被分为20个电泳型。依据已有的研究结果,综述了质型多角体病毒(Cypovirus,简称CPV)侵染、转录调节机制的最新研究进展。重点分析了CPV入侵过程;转录过程中CPV衣壳蛋白VP1和塔状蛋白VP3构象变化,促进mRNA起始转录和加帽的作用;大突起蛋白VP5,作为夹状蛋白起到稳定CPV病毒粒子结构的作用;另外,VP5作为mRNA分子伴侣,促进RNA链的解旋和加速链的退火。这些研究结果将为下一步深入研究CPV入侵、转录机制,提供了重要的理论依据和研究线索。     

衣壳蛋白缺失突变对登革病毒致病性及免疫原性的影响

在登革2型病毒中国分离株(DEN2—43)的感染性全长cDNA克隆的基础之上,利用融合PCR技术构建衣壳蛋白基因缺失的全长cDNA．将其线性化并体外转录成RNA后,经电穿孔法导入宿主细胞获得缺失突变病毒,对其致病性和免疫原性进行了观察．结果显示,随着衣壳蛋白缺失氨基酸残基数目的增加,病毒在敏感细胞中的增殖能力逐渐减弱,而衣壳蛋白第3个α螺旋序列缺失的突变体则完全丧失感染性．突变病毒对乳鼠的致病性也随之减弱,缺失10个氨基酸残基使病毒几乎完全丧失乳鼠致病力．同时缺失突变病毒可诱导小鼠产生高水平IgG抗体．表明登革病毒衣壳蛋白具有功能灵活性,可作为减毒突变的靶位点．该结果为深入探讨登革病毒基因组结构与功能的关系及研制新型登革减毒疫苗奠定了基础．     

菠菜性别差异NUPTs序列的克隆及分析

质体DNA向核基因组转移能够形成核质体DNA,核质体DNA序列的插入是推动动植物基因组及染色体组演化的重要动力.但是核质体DNA的插入和植物性染色体起源及演化之间的关系仍不清楚.以雌雄异株植物菠菜为材料,利用基因组消减杂交技术筛选分离菠菜雌雄基因组差异的NUPTs序列,并进行验证和分析.结果表明,从构建的菠菜消减杂交文库中共得到39条长度为75~308 bp的雌雄差异序列,其平均长度约为154 bp.对获得的序列进行Blastn同源比对发现了12条序列为叶绿体基因组来源序列,这些序列与菠菜叶绿体基因组相似度在98%以上,说明所获得的差异片段为核质体DNA序列.将筛选出的核质体DNA序列进行进一步验证后获得了两个稳定的长度分别为146 bp和199 bp的雄性偏好核质体DNA序列,说明所获得的两个NUPTs序列在菠菜雄性基因组中有更多的累积.     

不同类型DNA提取试剂盒提取牦牛乳粉DNA效果的比较

以牦牛乳粉为材料,采用了细胞/组织/血液基因组提取试剂盒、植物基因组提取试剂盒及食物核酸提取试剂盒3种不同类型的DNA提取试剂盒提取牦牛乳粉的基因组DNA,使用核酸和蛋白质分析仪检测后表明3种提取方法获得的DNA浓度相近;使用牦牛线粒体中细胞色素b的DNA序列特异性探针引物对所得的3种DNA进行实时荧光PCR,都获得了特异性扩增。结果表明3种类型的DNA提取试剂盒提取的牦牛乳粉基因组DNA都可以用于牦牛乳粉的分子特异性研究,综合提取操作的难易程度、耗时长短、成本高低及提取DNA的浓度分析,细胞/组织/血液基因组提取试剂盒为最佳选择。但食物核酸提取试剂盒的提取步骤简单,消解更彻底,更适用于一次性提取较多样本的基因组DNA。     

一株新铜绿假单胞菌噬菌体SRT6的分离以及全基因组序列分析

分离一株新铜绿假单胞菌噬菌体,进行生物学特征分析,全基因组测序和比较基因组学分析.了解该噬菌体与其他假单胞菌噬菌体之间的亲缘关系以及它的潜在应用价值.利用双层平板法分离纯化噬菌体,利用酚氯仿抽提基因组,利用Illumina Hiseq测序平台对基因组测序,利用生物信息学进行基因组和比较基因组学分析.分离到一株新的烈性铜绿假单胞菌噬菌体SRT6,其基因组全长91 364bp,G+C含量49.3%,存在182个蛋白质编码基因,其中的96个与已知功能的蛋白质具有相似性,无tRNA和tmRNA.比较基因组分析发现,噬菌体SRT6属于一个新物种.分离鉴定出一株烈性铜绿假单胞菌噬菌体SRT6,并发现它属于一个新种噬菌体,为未来利用噬菌体治疗耐药铜绿假单胞菌感染打下坚实的基础.     

结核分枝杆菌噬菌体末端酶TerL的结晶化初步研究

结核病是由结核杆菌感染引起的慢性传染病,临床应用的抗结核药物有很多,但耐药性结核菌的出现使得新的治疗方法,如噬菌体疗法越来越受重视.结核菌噬菌体是一种DNA病毒,它能够启动细菌细胞壁的溶解过程,裂解分枝杆菌,从而最终摧毁宿主菌,达到治疗效果.结核菌噬菌体末端酶在DNA包装过程中特异性地切割DNA连环体,通过产生成熟的病毒DNA而参与基因组包装,对末端酶的研究有助于对噬菌体疗法的分子机制进行进一步的探索.以噬菌体SWU1基因组中末端酶的大亚基的基因Ter L为模板,构建了重组载体,再经过在大肠杆菌中异源表达,获得目的蛋白后,利用一系列的纯化手段,得到了大量表达的高纯度的Ter L蛋白,并通过结晶条件的尝试,得到了其晶体,为末端酶Ter L结构的解析和功能的分析奠定了基础.     

1株盐湖噬菌体CJL-7的分离及其生物学特性研究

以嗜盐菌为宿主,从山西省运城盐湖湖水中分离出1株噬菌体,经浓缩纯化后用电镜观察其形态,并进行限制性酶切、蛋白组成分析及生物学特性研究.研究结果表明:分离获得的CJL-7为双链DNA烈性噬菌体,属微小噬菌体科;其头部为正多面体结构,直径约为80 nm,在其衣壳中至少含3种主要结构蛋白;该噬菌体含有脂质包膜,宿主范围较广;...     

分支DNA探针法检测21例丙型肝炎血清病毒RNA

目前主要依赖检测丙型肝炎抗体来确定对丙型肝炎病毒(Hepatitis C virus,HCV)感染的诊断,但它不能反应机体是否有活动的病毒血症。分支DNA探针法应用合成的DNA分子与靶HCV—RNA特异性的杂交,形成RNA—DNA杂交体,用dioxetane作为底物与化学发光物结合,通过测定其发光强度可直接检测血清HCV—RNA的含量。本文测定21例慢性活动性丙型肝炎血清。HCV—RNA最低值为0.66Meg/ml;最高值为58Meg/ml,21例中86％的数值分布在0.66Meg/m-12Meg/ml的范围内。此方法cutoff值为0.5Meg//ml。我们所测定的21例均高于cutoff值。此方法操作简便,特异性强。为临床丙型肝炎治疗的监测及疗效的判断提供了重要的依据。     

基于位点特异性打分矩阵的卷积神经网络预测SARS-CoV-2核衣壳蛋白的蛋白质二级结构

新型冠状病毒(SARS-CoV-2)有4种关键的结构蛋白,而核衣壳蛋白就是其中的1种.本实验从公开数据库NCBI上选取的SARS-CoV-2核衣壳蛋白质序列数据,分析SARS-CoV-2核衣壳蛋白与SARS-CoV核衣壳蛋白的序列相似性,对SARS-CoV-2核衣壳蛋白的理化性质和疏水性进行分析;在此基础上提出基于位点...     

遗传物质与遗传信息的传递

蛋白质也可作为遗传信息的载体。在真核生物(尤其是在高等真核生物)中,蛋白质或DNA—蛋白质复合物可能是遗传的主要物质基础。遗传信息可能沿蛋白质→DNA→RNA→蛋白质传递。     

青鳉DMY基因的克隆及其在性别鉴定中的应用

提取雄性青鳉成鱼基因组DNA为模板,利用特异性引物,聚合酶链式反应(polymerase chain reaction,PCR)扩增获得1 908 bp的特异性条带.经测序证明为DMY基因片段,其核苷酸序列由3个外显子和2个内含子组成,可连续编码150个氨基酸.建立准确而有效的鉴定任意发育阶段青鳉个体雌雄性别基因型的方法,即利用管家基因——肌动蛋白基因PCR扩增条带的有无验证DNA样本提取和PCR扩增的有效性,同时利用雄性DMY基因的PCR扩增条带的有无鉴定青鳉个体的雌雄性别.对随机选取的成鱼和新生鱼卵样本,应用该方法可成功地鉴定出青鳉个体的雌雄性别.     

水稻ⅡB型拓扑异构酶OsSpo11基因的cDNA克隆、表达谱分析及其可变剪接的检测

Spo11基因是减数分裂双链断裂（DSBs）与分裂重组的初始化基因，在基因组进化方面具有重要作用。通过改进的Nest—PCR方法，从水稻愈伤组织中克隆到了水稻DNA拓扑异构酶 OsSpo11基因的cDNA片段。克隆测序与表达研究表明，OsSpo11基因是水稻ⅡB型拓扑异构酶A亚基基因，在水稻不同组织中具有低丰度表达、组织特异性、可诱导性以及前体RNA剪接的可变性等特点。可变剪接异构体的发现，使OsPo11基因在DNA代谢、发育、遗传重组等过程中的生物学功能表现出一定的复杂性，其功能和生物学意义有待进一步研究。     

污水处理系统中噬菌体的浓缩分离和宏合格基因组DNA的提取

以城市污水活性污泥为材料,经分级粗滤、超滤、等密度梯度离心等方法获得高纯度噬菌体悬液,常规SDS方法提取噬菌体DNA.荧光显微镜观察和计数表明浓缩液中噬菌体的纯度和丰度都显著提高;利用透射电镜对浓缩液进行观察,噬菌体的形态呈杆状、线状等多样;基因组提取结果显示,得到的DNA样品纯度高,大小介于20~25kb之间,电泳条带清晰,整个泳道没有弥散现象;利用细菌通用引物对提取的噬菌体DNA进行16SrDNA扩增阴性,说明所得到的噬菌体纯度较高,没有细菌污染.通过实验获得一种高效快捷的从污水处理系统中纯化浓缩噬菌体并进一步获得噬菌体宏基因组DNA的方法,同时为研究环境噬菌体生态分布、多样性组成奠定基础.     

二十面体病毒衣壳自组装的热力学参数

球状病毒衣壳采用二十面体对称。本文就二十面体病毒蛋白质骨架的自组装提出一个统计热力学模型。统计结果表明病毒衣壳二十面体对称不是自由能最小化的结果，而是衣壳内部蛋白结构参数最优化的结果。     

入侵植物春飞蓬DNA的提取及ISSR-PCR反应体系的建立

以菊科入侵植物的春飞蓬为研究材料,采用CTAB法提取植物总基因组DNA,通过琼脂糖凝胶电泳与紫外分光光度法检测提取的总DNA质量良好,蛋白质、RNA等杂质去除彻底,适合进行ISSR分析;将提取的DNA进行ISSR-PCR扩增,筛选出特异性高的引物,利用单因素和正交试验,建立并优化了入侵植物春飞蓬ISSR-PCR反应体系,20μL优化体系中DNA模板为20 ng、引物为0.2μmol/L、Mg2+为2.5 mmol/L、d NTP为0.2 mmol/L.     

噬菌体展示蛋白质芯片的无标记检测

为获得丰富的特异识别分子和实现无标记、高灵敏度检测,利用噬菌体展示技术,选择在pⅢ蛋白上展示12肽的噬菌体M13作探针,采用羧基-氨基共价耦联法制备噬菌体展示蛋白质芯片.在此基础上,与表面等离子体共振传感技术结合,使用Biacore3000仪器,检测噬菌体展示蛋白质芯片与特异性抗体的反应,测定反应动力学常数.实验结果表明:当抗体浓度为0.4 μmol·L-1时,响应信号可达365±8个单位;不同浓度的抗体与芯片反应的数据较好地与S型曲线吻合.该方法可望用于噬菌体展示蛋白质芯片的检测.     

杂交法检测重组乙型肝炎疫苗（汉逊酵母）发酵产物HBsAg外源基因拷贝数

以汉逊酵母宿主基因组DNA和发酵产物基因组DNA的相同MOX启动子的片断为特异性探针,用地高辛标记后,与固定在杂交膜上的宿主基因组DNA和发酵产物基因组DNA进行杂交并显色,根据显色深度来判定发酵产物中外源基因拷贝数的大小。结果表明,发酵产物中HBsAg外源基因拷贝数不小于30个。该方法检测灵敏度较好,特异性较强,操作较安全,可用于重组汉逊酵母发酵产物中HBsAg外源基因拷贝数定性检测。