拟南芥花药表达基因调控关系的预测

模式植物拟南芥花药的发育由复杂的基因网络所调控. 至今为止, 研究人员对这一调控网络的了解非常有限. 本研究利用一种整合基因芯片数据与启动子序列分析的生物信息学方法来预测拟南芥花药表达基因之间的调控关系. 基于这种方法, 一共预测到了7710对具有调控关系的基因对, 其中80对为高可信度的调控关系. 在这80对基因中, 有3对调控关系已被之前的实验验证, 表明本研究预测的结果有一定的可靠性. 我们所预测的基因调控关系有助于拟南芥花药发育分子机理的深入研究, 提出的生物信息学研究方法也可用于其他基因调控关系的预测.     

代谢调控的新发现

能量代谢一直是最为热门的研究领域之一. 对乙酰化调控代谢的机理的研究发现, 代谢酶类赖氨酸残基的乙酰化修饰与很早就发现的转录调控、反馈抑制、变构调节及磷酸化修饰一样, 是一种广泛存在于原核和真核生物体内的保守代谢调控机制, 即乙酰化修饰不仅可以抑制/激活代谢酶的催化活力、影响蛋白的稳定性, 还可能协调代谢途径中各个代谢酶类的活性, 并在协调不同通路的代谢流分布中发挥更为广泛的生理功能, 进而在细胞整体水平上调控代谢. 最近还发现一些中间代谢物在细胞信号中起重要作用, 不平衡地积累2-羟基戊二酸或减少α-酮戊二酸会对加双氧酶蛋白家族产生重要的影响, 改变包括HIF途径在内的肿瘤相关信号通路, 并可能引起组蛋白甲基化修饰的改变. 由于代谢与人类疾病紧密相关, 这些新的发现在科学界引起了人们广泛的兴趣.     

基因调控网络的生物信息学研究

DNA微阵列技术和蛋白质质谱技术为基因调控网络的研究提供了可能的技术装备.基因调控网络的研究试图以系统的观点为出发点,从基因之间相互作用的角度揭示复杂的生命现象.基因调控网络是功能基因组学研究的重要内容,也是当前生物信息学研究的前沿.本文着重从生物信息学的角度对基因调控网络的研究从源起内容到方法进行了全面的回顾和总结.     

代谢网络的蝴蝶结结构特征及其功能意义

研究全基因组代谢网络的结构拓扑对于了解结构与功能间的联系是必不可少的. 而可视化有助于获取网络组织结构的直观信息. 从网络拓扑的角度考察了75个物种的全基因组代谢网络. 提出了一个展开蝴蝶结模型, 实现了对代谢网络的蝴蝶结结构的清晰的可视化. 展开蝴蝶结所揭示的代谢网络的结构特征, 有助于我们设计高效的且更能反应代谢网络自身特点的网络算法. 同时, 这个粗粒化的网络模型还可实现对网络中脆弱连接的可视化, 因此对于疾病研究和药靶发现都有潜在意义. 通过对蝴蝶结中心部分的双向连接及主核的研究表明, 代谢网络的蝴蝶结结构有其内在的、有意义的拓扑特征, 而这些特征是随机网络所不具备的.     

代谢网络流分析进展及应用

代谢网络的研究已经成为系统生物学研究的一个热门话题,基于代谢网络流分析的方法在寻求生物体代谢网络特征中具有很重要的作用.回顾了几种主要的代谢网络静态分析方法如:流平衡分析(FBA)、代谢调节最小化分析(MOMA)、调节的开关最小化(ROOM)、含有二次线性规划的动态流平衡分析方法(DFBA-LQR)等.另外,介绍了几种常用的代谢网络流分析软件,如FluxAnalyzer,COBRA Toolbox,PathwayAnalyser,并对这些软件的性能进行了比较.代谢网络的研究不仅能使人们更好地了解代谢网络性质,也在很多方面得到了应用,将代谢网络流分析和其他生化数据分析方法整合起来的理念逐渐形成并已有所进展,如代谢流与基因表达调控的结合、代谢流对蛋白质进化的影响、代谢流与拓扑特征的关联分析、代谢工程优化改造等.今后的研究方向可以将代谢流分析与网络拓扑特征分析以及动态建模等结合起来以获得更全面更准确的代谢网络性质.     

应用复杂网络理论研究代谢网络的进展

后基因组生物信息学研究的一个重要任务是系统地研究活细胞内所有分子和它们之间的相互作用, 从而了解这些分子及它们之间的相互作用对整个生物体功能的影响. 而网络则是对各种相互作用关系的恰当的抽象描述. 近年来, 复杂网络理论在揭示各种复杂的技术网络和社会网络的形成和演化机制方面取得了一些重要成果, 其方法和结果已对生物学研究产生影响. 本文评述了基于基因组的大规模代谢网络重建和分析的进展, 论述了利用复杂网络理论分析代谢网络结构的主要方法和结果.     

调控基因表达的miRNA

近年来, 在小分子RNA中发现了一类与调节基因表达密切相关的分子micro RNA (miRNA). miRNA由内源性基因编码, 可通过诱导mRNA的切割降解, 翻译抑制或者其他形式的调节机制抑制靶基因的表达. 寻找这类调节分子及其靶基因已成为研究的热点. 我们试图回顾miRNA的研究历史, 简介miRNA 分子的检测方法, 介绍 miRNA 在基因组中的位置、miRNA靶基因的搜寻、miRNA生物功能的鉴定, 并探讨miRNA的作用机制, 最后展望 miRNA 在调控生命体的发生、生长、发育和分化等方面的重要作用. 可以预测, 全部miRNA基因功能的鉴定必将给人们对生命体的研究带来新的理念、方法和思路.     

胚胎发育的基因调控

１９９５年诺贝尔生理学／医学奖授给了三位国际名发育生物学家，他们对果蝇早期胚胎的基因调控作用出了杰出了贡献，他们发现了一些重要的基因能控制果蝇的胚胎发育，这为研究人类的胚胎发育物阐明畸形产生的机理奠定了重要理论基础，虽然他们采用的方法是经典遗传学手段，但得到的成果却令人惊叹而信服，这些突破性成就来自于纯性的基础研究，在当前强调应用性研究的气氛中，颇为理论研究鼓气壮胆。     

一个编码含VQ 模序蛋白的基因AtARVQ1 参与拟南芥对砷酸盐的响应调控

砷酸盐(As^Ⅴ)是一种对包括人类和植物在内大部分生物具有剧毒的重金属. 结果显示, 编码含植物特有VQ 模序蛋白基因AtARVQ1 (arsenate-repressed VQ motif-containing protein 1)参与拟南芥对As^Ⅴ应答和抗性调控. 结果表明, 砷酸盐胁迫强烈抑制AtARVQ1 基因在拟南芥中的转录表达.进一步利用组成型启动子CaMV 35S 驱动AtARVQ1 基因在拟南芥中的表达, 获得在砷酸盐处理条件下增强AtARVQ1 基因转录的超表达植株, 发现超表达AtARVQ1 可以明显提高拟南芥对砷酸盐的抗性水平. 系统进化分析发现, 含VQ 模序结构的AtARVQ1 同源基因为植物特有, 并进化出两大分支4 个子分支, 这类同源基因在双子叶植物和苔藓中分布于两大分支上, 而在单子叶植物中仅分布在同一子分支上. 这些结果表明, AtARVQ1 基因在拟南芥对砷酸盐的抗性应答上有着重要作用, 而其同源基因也可能在其他植物对砷胁迫应答中发挥作用.     

利用亚细胞位置特异的基因功能模块与表达调控网络识别疾病特征基因

利用Gene Ontology中的生物过程(biological process)及细胞组分(cellular component)两种分类体系, 选择显著聚集差异表达基因的复合功能模块, 识别其中能够有效分类疾病样本的特征功能模块, 以特征功能模块中的差异表达基因作为特征并分析它们与疾病的相关性. 对前列腺癌、胃癌和白血病数据的分析结果表明, 基于特征功能模块的特征基因选择方法可以识别与疾病高度相关的功能一致的特征基因. 进一步的分析显示, 根据特征功能模块和基因表达调控信息构建基因表达调控网络, 可以从中挖掘可能的疾病关键特征基因, 并提示对复杂疾病同时应答的多功能模块间协同作用关系机理研究的重要线索. 同时, 本研究结合基因功能分类的疾病特征基因选择方法提示了一种高准确度的疾病分类方法, 分类结果有明确的生物学意义, 对复杂疾病的分子病理学研究亦有重要的意义.     

NCED3基因的持续诱导及ABA合成与代谢的协同调控在拟南芥ABA信号积累中的作用

ABA作为逆境信号在植物抗逆特别是抗旱中起着重要的作用. 由于ABA生物合成是ABA信号产生的根本基础, 因此ABA合成关键酶基因NCED3的启动一直被认为是操纵ABA信号产生的惟一机制. 本研究报道了ABA信号累积中ABA代谢和合成的协同操纵机制. 结果表明, 水分胁迫可导致拟南芥叶片中ABA水平急剧增加, 且在长期干旱胁迫情况下, ABA累积的最高水平始终处于一个相对稳定的状态. 无论是胁迫还是非胁迫状态下, ABA代谢都呈现指数递减规律, 且其代谢的半衰期没有太大的变化, 这意味着干旱条件下ABA的绝对代谢速率将随ABA水平上升而急剧加快, 由此可以推断ABA信号的产生是一个由多酶共同操纵的系统控制, 且NCED3的持续诱导是ABA信号稳定积累的前提. 进一步研究表明, 干旱可诱导一系列ABA合成酶的基因表达, 其中包括NCED3, AAO3和ABA3等. 伴随ABA的持续积累, NCED3, AAO3和ABA3的基因始终处于诱导表达状态. ABA代谢研究和基因表达分析结果相互印证, 共同揭示ABA信号的产生机制是一个由多酶共同参与, 且以ABA合成关键酶基因持续诱导为前提的操纵机制, 其中ABA代谢在ABA信号的操纵中起着重要的作用.     

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.     

碳代谢总体调控蛋白CRP对肺炎克氏杆菌nif 启动子的抑制作用

在肠道细菌中，碳代谢总体调控蛋白CRP（也称为cAMP受体蛋白）通过PTS系统介导葡萄糖效应，调控σ70依赖型碳源分解代谢操纵子的转录活性，当自生（联合）固氮的肺炎克氏杆菌（Klebsiella pneumoniae)以不同的碳水化合物作为惟一碳源生长时，其固氮活性明显不同，且这种不同碳源对固氮活性的影响发生在基因表达调控水平上，在近缘的大肠植杆菌遗传背景下的进一步研究表明，在cAMP存在时，CRP对肺炎克氏杆菌所有的σ54依赖型nif启动子（nifB,nifE,nifF,nifH,NifJ,nifLA,nifU)都有抑制作用，序列分析结果表明，CRP的抑制作用与其在这些启动子上游的DNA顺式作用元件无直接相关性，对肺炎克氏杆菌crp基因的分离，测序结果显示，其编码的CRP蛋白与已知的大肠杆菌CRP蛋白在序列与功能上高度保守，因此认为不同碳源代谢对固氮基因的调控作用可能是由CRP－cAMP复合体介导的，这一研究工作将碳代谢调控系统和固氮调控系统通过CRP－cAMP耦联在一起，具有重要的生理学意义。σ     

ATF5与TCF4相互作用及其对Wnt信号通路的调控

应用酵母双杂交技术, 鉴定Wnt通路关键信号分子TCF4与cAMP效应元件结合蛋白家族新成员——激活转录因子5(ATF5)之间的相互作用, 酵母表型分析和b-半乳糖苷酶(β-gal)活性测定结果发 现, 两者的作用位于ATF5蛋白C端含有碱性亮氨酸拉链(bZIP)区域(162 ~ 282 aa). 通过受TCF启动的荧光酶报告系统分析ATF5对Wnt信号通路的影响, 结果显示ATF5蛋白C端能进一步加强TCF4对Wnt通路的激活效应. 由此提示, ATF5可能是Wnt通路下游信号的辅助激活因子(co-activator), 它能协同 b-连环蛋白/TCF4参与Wnt信号通路的激活.     

水稻花发育基因调控的研究进展

开花是高等植物从营养生长转向生殖生长的一个重要的生理过程。近几年来对水稻开花的研究取得了一些新的进展。分析了水稻从营养生长向生殖生长转化过程的基因控制,以及环境因素与植物内在发育程序对控制水稻开花时间的基因的影响,阐释了与拟南芥花器官发育的ABC模型相似的水稻的花器官发育机制,简述比较遗传学中利用基因共线性对开花控制位点的研究,这些研究结果与寻找更多的水稻开花基因并研究其功能提供了有意义的启示。     

具有环指结构域的E3泛素蛋白连接酶SDIR1正向调控拟南芥胁迫响应的脱落酸信号传导途径

2007年6月15日，中国科学院遗传与发育生物学研究所谢旗博士实验室在The Plant Cell在线发表题为“SDIR1 Is a RING Finger E3 Ligase That Positively Regulates Stress—Responsive Abscisic Acid Signaling in Arabidopsis”的论文，报道了一种具有环指结构域的E3泛素蛋白连接酶SDIR1正向调控拟南芥胁迫响应的脱落酸信号传导途径．     

分离鉴定拟南芥开花调控基因Flowering Locus D(FLD)的一个新等位突变

高等植物的开花是由植物的内在因素和环境因素两方面控制的. 在拟南芥中, 控制开花的几个主要的遗传位点已经被鉴定. 拟南芥Flowering Locus C 基因(FLC)通过作用于自主途径抑制由营养生长向生殖生长的转化. FLC 的表达能被FLD 抑制, 而后者编码组蛋白去乙酰化酶复合体的一个成分. 本研究分离鉴定了一个新的FLD 等位突变体fld-5. 遗传分析表明, fld-5(Wassilewskija 生态型)和前人报道的fld-3 和fld-4(Colombia-0 生态型)是等位突变体. 遗传学和分子生物学分析表明, fld-5 在FLD 编码区有一个移码突变, 从而导致其可读框的提前终止. 在fld-5 突变体中FLC 的表达显著增加, 因此可能导致该突变体呈现出异常的晚花表型。     

高等植物开花时间决定的基因调控研究

开花是植物从营养生长向生殖生长的转变过程,在这一过程中植物顶端分生组织从钠部的代谢途径到外部表型都会发生一系列程序化的变化的变化。与开花相关基因的表达是实现这一转变的基础,环境因子（春化作用和光周期）以及细胞自身的生长状况对这些基因的表达起着调控作用。近年来在高等植物成花决定过程的基础调控研究方面取得了很成就,简要综述该领域国内外的最新进展。     

胚胎发育合子型基因激活（ZGA）的调控机制

新受精卵超越早期分裂阶段正常的发育需要胚胎基因转录的重新起动与续后调控,ZGA（合子型基因激活）是胚胎发育过程中母型调控的合子型调控过渡中的关键事件,卵为新形成合子发育程序的起动提供了特殊的环境条件,并对其调节控制起了必要的作用,各类动物早期卵裂过程的胚胎基因转录起动精确时间是可变的,涉及染色质结构成分、调控元件（顺/反式）、RNA降解、DNA复制、修饰/加工作用、卵子发生因子、合子钟及天然信号等多种因素的调节控制,本文综述了当前胚胎发育合子基因表达的时间及相关调控机制的研究进展。