基于多级优化的真核生物基因结构预测

基因结构预测对于发现新基因、了解基因组结构规律具有重要作用, 是各类基因组计划的重要内容. 但对于真核生物, 现有基因预测方法的效果仍不理想. 为探讨多级优化的真核生物基因结构预测方法, 在将复杂的多基因结构预测问题划分为基因级(单外显子基因、多外显子基因)、元件级(外显子、内含子等)和特征级(功能位点信号、密码子使用偏好等)等多个层次上的一系列较简单子问题的基础上, 通过从简单到复杂进行逐级优化的策略, 建立了基因结构预测的多级模型, 设计了基因结构寻优的动态规划算法, 开发了真核生物基因结构预测系统GeneKey(1.0). 用广泛采用的数据集对该系统进行测试的结果表明, GeneKey(1.0)的预测精度在核苷酸、外显子和基因水平上均高于著名系统GENSCAN. GeneKey(1.0)已提供网上服务(http://infosci.hust.edu.cn).     

PHF2全长cDNA及剪接异构体的克隆鉴定

ＰＨＤ锌指结构蛋白作为ＨＯＸ基因的上游调控因子,在生物体的发育过程中起着重要作用涉及该蛋白的异常还与人类的某些恶性疾病如白血病相关,利用基因数据库同源性比较,ＰＣＲ扩增ｃＤＮＡ文库筛选ｃＤＮＡ及部分基因组ＤＮＡ序列分析,多组织Ｎｏｒｔｈｅｒｎ印迹杂交等方法,克隆鉴定了一种新的人类编码ＰＨＤ蛋白的全长ｃＤＮＡ及该基因的不同剪接异构体。     

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.     

修正RNA的错误剪接提高转基因表达水平

建立了ＷＡＰ基因调控序列指导的人Ｇ－ＣＳＦ乳腺表达的转基因小鼠,在检测出转基因低表达的基础上,采用ＲＴ－ＰＣＲ从转基因小鼠乳腺ＲＮＡ中获得人Ｇ－ＣＳＦ基因,序列分析表明基因缺失第４外显子,与人Ｇ－ＣＳＦ基因组基因比较,缺失部分含有内含子剪接的供体和受体位点,推断Ｇ－ＣＳＦ的第３和第４内含子亦缺水。重新构建了转基因注射构件,其中删除了Ｇ－ＳＦ第３和第４内含子,用其所建立的转基因小鼠,其乳腺表达的Ｇ－     

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.     

拟南芥种子萌发过程中差异表达基因的识别和pre-mRNA可变剪接图谱的构建

种子的萌发是植物新生命的开始,也是决定植物种群更新、物种延续的关键环节和影响粮食作物产量的重要因素.种子萌发事件是一个极其复杂的过程,其调控机制至今仍未完全知晓.本文基于拟南芥种子不同萌发过程的RNA-seq测序数据,分别从基因表达和pre-m RNA可变剪接层面系统地剖析了种子萌发过程中的组学特征和调控机制.首先,通过组学数据分析方法得到拟南芥的基因表达矩阵,系统地识别了种子不同萌发阶段间的差异表达基因,并解析了其生物学功能.结果显示,随着种子的萌发,一方面大量与糖酵解、DNA合成等代谢过程密切相关的基因被激活,保证了种子新陈代谢和基本的细胞活性的重新激活;另一方面,与氧化应激胁迫响应、有毒物质响应、热响应、水响应等相关的基因活性被抑制,保证了种子能够从休眠态顺利活化.其次,使用r MATS系统描绘了种子萌发过程中各阶段的pre-m RNA可变剪接图谱,鉴定了不同萌发阶段间的差异可变剪接事件,并分析了种子萌发过程中的可变剪接特征及差异可变剪接事件的生物学功能.该工作的开展将进一步促进种子萌发过程中的调控机制的阐明,并为相关实验工作的开展提供一定的帮助.     

水稻RAD21同源基因(OsRIX4)存在多种mRNA选择性剪接模式

稻RAD21同源基因(OsRIX4)存在着多种mRNA选择性剪接模式, 从中鉴定出一类特殊的剪接模式, 即一个组成型外显子内部的部分片段可以被单独剪除, 该类型不属于已知的5类剪接模式之一.这种剪接模式所产生的转录本能够独立地得到翻译. OsRIX4基因多转录本的表达各具组织特异性, 其中OsRIX4-4和OsRIX4-5转录本的表达量与水稻育性呈正相关. 这种剪接模式的发现, 可以为理解和定义植物mRNA剪接模式提供新的内容, 也凸显转录后mRNA加工和调控机制的复杂性.     

用生物信息学方法发现跨染色体剪接的嵌合5′/3′UTRs

mRNA的5′/3′ UTRs是在mRNA翻译过程中起重要调控作用的序列, 在5′/3′ UTRs上不正常的剪接模式可能导致多种严重疾病. 提出了一种基于大规模序列比对分析搜寻5′/3′ UTRs跨染色体剪接现象的方法, 并用此方法得到8例可信度高的跨染色体的5′/3′UTRs剪接事件, 从信息的角度证实了来自不同染色体序列剪接成为5′/3′ UTRs的现象是真实存在的. 对这8例跨染色体剪接产生的5′/3′ UTRs用多序列比对在剪接区域没有发现一致保守的motif. 同时, 目前的预测算法也不能在剪接区域检测到特异性的RNA二级结构, 因此很难确定引导5′/3′ UTRs跨染色体剪接的信号.     

用生物信息学方法发现跨染色体剪接的嵌合5''''/3''''UTRs

mRNA的5/3UTRs是在mRNA翻译过程中起重要调控作用的序列,在5/3UTRs上不正常的剪接模式可能导致多种严重疾病.提出了一种基于大规模序列比对分析搜寻5/3UTRs跨染色体剪接现象的方法,并用此方法得到8例可信度高的跨染色体的5/3UTRs剪接事件,从信息的角度证实了来自不同染色体序列剪接成为5/3UTRs的现象是真实存在的.对这8例跨染色体剪接产生的5/3UTRs用多序列比对在剪接区域没有发现一致保守的motif.同时,目前的预测算法也不能在剪接区域检测到特异性的RNA二级结构,因此很难确定引导5/3UTRs跨染色体剪接的信号.     

脆性X综合征基因在人胎盘组织中的两种选择剪接表达

脆性X综合征是遗传性智力低下最常见的病因,与Xq27.3脆性位点相关.1991年在该脆性位点附近发现脆性X智力低下基因(fragile X mental retardation l,FMR1).FMR1基因突变和表达异常是脆性X综合征的直接原因.FMR1基因cDNA的长度为4.4kb,由17个外显子组成,有不同的mRNA剪接方式存在,含有B,C,D,E四个可变区,其中C可变区包括C1,C2两个亚可变区.Verkerk和Ashley等发现FMR1基因可能有12种不同的选择剪接形式,在成人胰脏、睾丸、白细胞、胎儿胰脏、肝     

蛋白质剪接在蛋白质研究和蛋白质工程中的应用

蛋白质剪接(protein splicing)是由蛋白质内含子介导的在蛋白质水平上翻译后的加工过程。蛋白质内含子(intein)是指前体蛋白中的一段插入序列,它在蛋白质翻译后的成熟过程中能自我催化,使自身从前体蛋白中切除,并将其两侧的多肽片段以肽键连接,形成成熟的蛋白质。蛋白质内含子的发现丰富了基因表达和蛋白质翻译成熟过程的理论,而且在蛋白质研究和蛋白质工程中有广泛的应用。本文试图综述蛋白质剪接在蛋白质特异位点标记、蛋白质片段化标记同位素、蛋白质环化、蛋白质芯片、基因治疗等研究中的应用。       

分泌改善的重链促进基于蛋白内含子的双载体共转全长FVⅢ基因

在甲型血友病基因治疗中, 其疗效受FVⅢ的低分泌性和较大的FVⅢ基因难以为腺相关病毒(AAV)载体运载等因素的不利影响. 研究表明, 重链的分泌低下是导致FVⅢ分泌低效性的主要原因. 我们最近的研究表明, 应用蛋白质剪接技术的双载体转B区缺失型FVⅢ(BDD-FVⅢ)基因, 通过表达后重链和轻链的共价连接, 轻链可顺式促进剪接BDD-FVⅢ的分泌, 但重链分泌的低下影响分泌的水平. 本文将具有促进FVⅢ分泌作用的L303E/F309S点突变引入FVⅢ的重链, 通过蛋白质剪接的双载体共转断裂全长FVⅢ基因, 观察了重链和剪接全长FVⅢ的分泌和生物活性的变化. 构建了一对融合Ssp DnaB蛋白内含子(intein)的突变重链和轻链真核表达载体, 瞬时共转染培养的COS-7细胞, Western blotting结果表明转基因细胞有明显的剪接FVⅢ蛋白表达; 突变重链单独转基因后的分泌量为(39±11) ng/mL, 明显高于野生型重链的分泌量; 与轻链共转基因的重链分泌量增加到(123±13) ng/mL, 培养上清中分泌的剪接FVⅢ量和活性分别为(86±14) ng/mL和(0.61±0.08) IU/mL, 明显高于断裂的野生型FVⅢ共转基因. 另外, 转突变重链和轻链基因细胞的合并培养上清中亦检测到剪接的FVⅢ蛋白和生物活性, 且高于转野生型重链和轻链基因细胞的合并培养上清. 结果表明, 重链分泌性的改善可提高运用蛋白质剪接技术的双载体转断裂的全长FVⅢ基因的功效, 为动物体内进一步运用双AAV载体转全长FVⅢ基因提供了实验依据.     

基因结构预测

人类基因组计划已经完成,基因组研究的热点已从基因组测序转向对基因组表达的分析和对蛋白质结构和功能的预测。大量生物分子的数据需要综合运用数学、物理、计算科学和信息科学等进行分析和处理,从而产生了生物信息学这门崭新的学科。本文介绍了基因结构预测的基本步骤和相关软件的原理及使用,综述了国外在启动子、转录因子、剪接位点等基因功能位点预测方面所取得的最新进展。     

表观遗传可测男性性倾向

正根据一项新研究,利用来自人类基因组中仅9个区域的表观遗传信息,科学家就能以高达70%的准确率预测男性性倾向。这是基于分子标记预测性倾向的第一个模型。在这项研究中,科学家研究的并非是包含于DNA中的基因信息,而是同卵男性双胞胎基因组中的DNA甲基化(影响一个基因何时表达及表达方式的一种DNA分子改变)模式。虽然同卵双胞     

茎瘤芥胞质雄性不育性与线粒体T基因选择性剪接有关

本研究从茎瘤芥胞质雄性不育（cytoplasmic male sterile, CMS）系线粒体cDNA中扩增获得了CMS相关T基因的两个不同转录本，分别命名为T1170和T1243．序列分析表明其中T1243是一个保留了内含子的转录本，该内含子具备Ⅱ型内含子基本特征．这两个转录本是T基因选择性剪接的产物．RT-PCR分析表明，在苗期，T基因转录水平的表达以T1170转录本为主；随着发育时期变化，该转录本表达逐渐减少，而另一个转录本T1243表达丰度增加；到盛花期，该基因的表达以后者为主．Northern杂交验证了这一结果．推断茎瘤芥胞质雄性不育性和T基因转录后选择性剪接有关．     

人类基因组CpG岛甲基化概况的预测

CpG岛甲基化在细胞的各种生物过程中扮演着重要角色.开发了预测人类基因组CpG岛甲基化状态的计算模型,获得了目前最好的预测性能,并用此模型对人类全基因组的CpG岛甲基化状况进行了预测.根据预测结果,约31%的CpG岛处于甲基化状态,而位于启动子区的CpG岛则倾向于不被甲基化.染色体R带和G带中CpG岛的甲基化水平没有显著差异.基因启动子区内,不易被甲基化的CpG岛中RNA聚合酶的结合强度显著高于易被甲基化的CpG岛,表明包含不易被甲基化的CpG岛的启动子对应的基因具有更高的表达活性.     

生物信息方法预测高粱miRNA及其靶基因

miRNAs是新发现的一类长约21个碱基对的非编码RNAs. 它们在转录后基因调控中起着重要作用. 它们的靶目标涉及许多生物进程, 如发育、新陈代谢、胁迫应答等. 尽管已经有大量物种的miRNAs报道, 然而关于高粱miRNAs的相关报道却十分有限. 本研究通过基于基因组勘测序列(GSS)的同源序列搜索和miRNAs的二级结构分析, 总共发现17条新的miRNAs. 它们不均等的分布于11个miRNAs家族中. 一些miRNAs的基因存在多位点并且不仅仅存在于单一基因位点上. 大多数miRNAs存在同一生物界的保守性, 但是我们发现, 高粱sbi-miR127和sbi-miR466分别表现出与人类(H. sapiens)和家鼠(M. musculus)具有高度序列相似性. 通过靶基因预测软件MiRU对miRNAs的分析表明, 它们可能调节64种靶基因, 其中多数涉及RNA加工、新陈代谢、细胞周期、蛋白质降解、胁迫应答及转录. 在11个miRNAs家族中至少有7个miRNAs的靶目标是NADPH-细胞色素p450还原酶、核苷二磷酸激酶、超氧化物歧化酶等一些在新陈代谢和胁迫应答中必要的蛋白, 说明miRNAs在这些过程中起着十分重要的作用.     

人类复杂疾病全基因组关联研究

复杂疾病是由环境因素与遗传因素共同作用所致,具有明显的遗传异质性和表型复杂性的特征,且在人群中的发病率高,严重影响人们的身心健康.随着HGP, Hap Map和千人基因组计划的顺利完成,研究人员已获得人类基因组中常见变异位点的详细图谱,全基因组关联研究(genome-wide association study, GWAS)得到迅速发展.从2005年至今,全世界众多研究小组开展了大量复杂疾病易感基因的GWAS,发现了1995个疾病/表型相关变异,推动了人类对这些疾病/性状的认识,为探讨复杂疾病/性状的遗传学发病机制提供新的思路和方法,从而揭示疾病发生、发展与治疗相关的遗传基础,为将来疾病预警、风险预测、临床诊断、药物开发及个体化用药指导等在内的精准医学奠定了坚实的理论基础.本文就人类复杂疾病全基因组关联研究的兴起、发展、扩展、深入分析、临床转化及未来发展进行评述.     

基于多信息融合的酵母重组冷热点预测

减数分裂重组并非均匀发生在基因组上,而是在一些区域有着较高的重组频率(重组热点),在另一些区域重组频率较低(重组冷点).重组的发生不仅与序列特征有关,还依赖于染色质的结构.准确鉴定重组热点和冷点对于认识重组发生的分子机制以及基因组进化规律具有重要意义.本文首先在实验数据的基础上识别2 kb尺度的重组冷热点,然后采用多样性增量结合二次判别分析(IDQD)和支持向量机(SVM)算法,基于一系列与DNA序列、结构及其热力学稳定性以及染色质结构相关的特征对酵母的重组冷热点进行了分类预测.结果表明,预测模型能够有效区分重组冷热点;从预测结果的敏感性、特异性和总精度来看,IDQD算法优于SVM算法.     

植物反转录转座子功能研究进展

反转录转座子(retrotransposon),是一类以RNA为中介,在反转录酶的参与下,进行自我复制并整合到基因组其他位点中的转座元件(transposableelements,TEs).反转录转座子是许多真核生物基因组的主要组成部分,在高等植物如玉米、小麦等作物中含量丰富.这些反转座子的功能及生物学意义一直以来都存在争议,但越来越多研究表明,它们对于邻近基因的表达调控以及整个生物体基因组的进化有着深远的影响.本文主要从反转座子与非编码RNA的联系及其转座过程所产生的基因结构变异、反转座基因等方面,概述了植物中反转座子功能的相关研究进展.