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。     

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。     

利用物种的蛋白质系统发生图谱研究物种进化

随着后基因组时代的到来,越来越多的物种基因组序列被测定出来.基因组信息的大量增加,使得从基因组的水平研究物种进化成为可能.文中定义了物种的蛋白质系统发生图谱的概念,将之用于进化分析,并从蛋白质组的水平研究了物种间的进化关系.此方法与目前较流行的分子进化方法相比,具有适用范围广,结果稳定等特点.随着基因组测序工作的迅速发展,用蛋白质系统发生图谱构建进化树的方法将有很大的发展空间.     

国际棉花基因组测序计划

一个生物的全基因组序列蕴藏着这一生物的起源、进化、发育、生理及与所有遗传性状有关的重要信息。所有这些重要的信息都写在由4种碱基（A、T、C、G）组成的基因组DNA那条长长的双链上。棉花基因组序列也同样蕴藏着与棉花的高产优质、抗病抗虫、耐旱耐涝等所有性状的遗传信息。解析棉花基因组序列,是改进棉花纤维品质、提高产量的前提与基础,也可为研究棉种起源、进化提供直接的依据。棉花是世界性重要的经济作物,也是我国重要的国民经济支柱产业,所以,阐明棉花的基因组信息具有重要的理论和实践意义。     

公共核酸数据库乙肝病毒全基因组序列概况和中国HBV参照序列的建立

截至2007年1月,世界三大核酸数据库（GenBank,EMBL,DDBJ）库中已经登录来自46个国家和地区的HBV全基因组的8种基因型近900条序列．文中对公共核酸数据库中现有的HBV全部基因组序列进行了统计分析并从基因型的地理分布及其临床特征等方面进行了评述,为进一步研究病毒与宿主的关系,以及HBV的人群分布和进化历史提供帮助．同时,通过系统进化分析对所有登录的229条中国地区HBV全基因组序列及其课题组新近完成的59条全基因组序列进行了基因分型,并根据这些序列建立了中国地区B基因型和C基因型的参照序列,为中国地区HBV的突变研究提供了DNA序列参照体系．此外,对于目前不同数据库信息内容和登录情况进行了分析,提出全面结合宿主临床信息和HBV基因组信息研究的建议。     

基因组进化与量子论推广

根据作者在《2019年东北及内蒙古地区量子物理前沿与进展研讨会》上的报告改写而成.文中评述了作者小组近年在基因组进化的量子理论方面的工作,包括:提出一个基因组进化的数学理论,把渐变进化和间断平衡置于统一的理论框架中;用量子进化解释突变和新种产生;用这个理论研究鸟类和被子植物基因组进化,对其中的一些规律性给出了定量解释。     

解读水稻基因“天书”

任何生物的全基因组序列都蕴藏着该物种起源、进化、发育、生理等重要信息。在迄今为止完成基因组测序的植物中,水稻的基因组是最大的,共有12条染色体,大约4.3亿对碱基,约为人类基因组     

论生物基因组的起源和进化

通过分析核基因组、线粒体基因组和叶体基因组的大小与结构，发现这三种基因组教师阴“小基因组”和“大基因组”的形式及与之对应的结构特点，认为它们各自的祖先都是通过分别与“小基因组”和“大基因组”相应的两种途径进化成成为现象核（类核）基因组、线粒体基因组和叶绿体基因组，发展了生物基因组起源和进化的统一模式。     

基因组的进化与内含子中的基因的进化

论述了基因组整体进化过程中内含子所含的基因的进化．分析了内含子的起源方式与内含子中的基因种类的关系,并结合基因组在大小、组成等方面进化过程中内含子的演化趋势,探讨了内含子中的基因,特别是核仁小分子ＲＮＡ基因的进化规律．同时,对于内含子中的基因的进化,提出了一些可能的途径．     

信息生物学--关于编码信息量的两个假设

提出并论证了关于编码信息量的两个规律.第一,基因组的编码信息量在进化中随时间增加.第二,基因序列的碱基频数分布决定于多样性的稳定化.此二规律和其他规律一起构成了信息生物学的理论基础.不同于生物信息学,信息生物学将以生命信息的遗传,传输,调节和表达的基本规律为研究中心.     

无义密码对线粒体密码进化的影响

遗传密码的起源与进化是理论生物学研究的一个基本问题.以线粒体密码为例,讨论密码进化关系构建的不同规则,分析密码进化中重要影响因素——无义密码子的再定义及其逆过程.终止信号与氨基酸间的距离是密码进化关系构建中的关键,在密码进化中无义密码子突变可以频繁进行,存在干涉现象,且进化倾向于无义密码子减少的方向.     

The genome sequence of the filamentous fungus Neurospora crassa

Neurospora crassa is a central organism in the history of twentieth-century genetics, biochemistry and molecular biology. Here, we report a high-quality draft sequence of the N. crassa genome. The approximately 40-megabase genome encodes about 10,000 protein-coding genes--more than twice as many as in the fission yeast Schizosaccharomyces pombe and only about 25% fewer than in the fruitfly Drosophila melanogaster. Analysis of the gene set yields insights into unexpected aspects of Neurospora biology including the identification of genes potentially associated with red light photobiology, genes implicated in secondary metabolism, and important differences in Ca2+ signalling as compared with plants and animals. Neurospora possesses the widest array of genome defence mechanisms known for any eukaryotic organism, including a process unique to fungi called repeat-induced point mutation (RIP). Genome analysis suggests that RIP has had a profound impact on genome evolution, greatly slowing the creation of new genes through genomic duplication and resulting in a genome with an unusually low proportion of closely related genes.     

DNA分子标记在真菌系统分类与鉴定中的应用

近年来分子生物学技术的发展,为从核酸分子水平上研究真菌的遗传本质,为真菌的进化研究、系统分类和鉴定开辟了新的途径.概述了几种主要的DNA分子标记的基本原理和特点,以及在真菌鉴定与分类中的应用.     

生物芯片研究现状及应用前景

生物芯片(Biochip)是以预先设计的方式将大量的生物讯息密码(寡核苷酸、cDNA、基因组DNA、蛋白质等)固定在玻片、硅片等固相载体上组成的密集分子阵列,可分为基因芯片、蛋白质芯片、芯片实验室三类。生物芯片技术的本质是生物信号的平行分析,它利用核酸分子杂交、蛋白分子亲和原理,通过荧光标记技术检测杂交或亲和与否,再经过计算机分析处理可迅速获得所需信息。在医学、分子生物学等领域,生物芯片技术以其高效、高信息量的优势,显现出巨大的应用价值和商业市场,其发展前景非常乐观。     

基于基因组学的栎树生物学研究进展

栎树(Quercus spp.)是北半球重要的经济与生态树种。夏栎(Q. robur)、加州白栎(Q. lobata)、麻栎(Q. acutissima)等树种基因组的公布,对栎树生物学研究产生了深刻的影响。近5年来,栎树生物学出现了包括系统进化与物种鉴定、基因渐渗与适应进化、景观基因组学与生态保育、生物共存与互作机制、次生代谢与生长发育、DNA甲基化与表观遗传调控及基因与长寿机制等方面的研究热点。虽然基于基因组学的栎树生物学若干研究前沿已经形成,但尚处于起步阶段,笔者预期未来会向4个方面深入:①强调栎树基因组资源的深度应用。应用景观基因组学途径,探究栎树的杂交渐渗与适应进化;联合基因组、转录组、蛋白组等多组学技术,探究栎树生长发育与胁迫响应过程中的基因调控网络与信号通路;优化体细胞发生和遗传转化体系,攻克栎树遗传改良和基因资源开发技术瓶颈。②促进栎树研究体系的广度拓展。随着壳斗科其他树种全基因组序列的公布,基于从分子到群落的不同生物层次的模式系统,将对欧亚大陆和北美不同区域的栎树,包括白栎组、红栎组、冬青栎组、麻栎组等不同栎树类群,以及壳斗科其他属树种基因组生物学研究产生深远影响。③关注栎树资源利用的遗传与发育主题。用栎树基因组资源对其结构的、代谢的和农艺性状的差异及其优化加以解析,全基因组关联研究(GWAS)也将应用于栎树,从而为阐释木材发育和木栓形成的机制奠定基础。④聚焦栎林保育的生态与进化主题。在全球气候变化背景下,通过增加耐受胁迫的基因型,以缓解气候变化对森林生态系统的影响。同时维持和保护栎树在自然生态系统中的生态与进化过程,阐明栎树多样性、迁移与适应、趋异与趋同生态适应等方面进化成功的机制。     

Bacterial pathogenomics

Genomes from all of the crucial bacterial pathogens of humans, plants and animals have now been sequenced, as have genomes from many of the important commensal, symbiotic and environmental microorganisms. Analysis of these sequences has revealed the forces that shape pathogen evolution and has brought to light unexpected aspects of pathogen biology. The finding that horizontal gene transfer and genome decay have key roles in the evolution of bacterial pathogens was particularly surprising. It has also become evident that even the definitions for 'pathogen' and 'virulence factor' need to be re-evaluated.     

生物芯片技术难点和展望

简单回顾了生物芯片（Biochip）发展历史和基本定义,生物芯片是以预先设计的方式将大量的生物讯息密码（寡核苷酸、cDNA、基因组DNA、蛋白质等）固定在玻片、硅片等固相载体上组成的密集分子阵列．生物芯片技术本质是生物信号的平行分析,它利用核酸分子杂交、蛋白质分子亲和原理,通过荧光标记技术检测杂交或亲和与否,再经过计算机分析处理可迅速获得所需信息．本文主要概述了生物芯片技术的最新研究进展,并对生物芯片技术面临的挑战以及未来的发展方向作了讨论．     

基因组研究进展

基因组结构和遗传语言的研究是现代生物学的前沿和竞争的焦点，对未来生物学、医学、农学和生物技术的发展有十分重要的意义。分子生物学技术的进步为基因组的研究提供了有用的工具。本文对非细胞生物体、原核生物，真核生物的基因组结构研究现状，特别是人类基因组计划的进展和前景进行了综述。     

Deleterious mutations and the evolution of sexual reproduction

The origin and maintenance of sexual reproduction continues to be an important problem in evolutionary biology. If the deleterious mutation rate per genome per generation is greater than 1, then the greater efficiency of selection against these mutations in sexual populations may be responsible for the evolution of sex and related phenomena. In modern human populations detrimental mutations with small individual effects are probably accumulating faster than they are being eliminated by selection.