低等脊椎动物中存在基因组印迹进化的基础

哺乳动物配子发生过程中双亲特异性甲基化印迹导致父母双方的基因组在发育中的不等性和互补性, 使父母双方的基因组对正常发育都是必需的. 因此, 基因组印迹是胚胎发育过程中基因组整体水平上基因表达调控至关重要的第一步, 也是哺乳动物两性生殖的表观遗传基础. 但基因组印迹在脊椎动物中的进化起源、形成并维持稳定的表观遗传修饰分子机制都还完全不清楚. 在动物界, 由于至今未在非哺乳动物中发现内源印迹基因, 基因组印迹被认为可能是胎生哺乳动物单独进化出来的. 为探索基因组印迹的进化起源, 本文研究了哺乳动物印迹基因在低等脊椎动物的同源基因中是否存在双亲特异性差异甲基化区域. 通过用重亚硫酸氢盐测序的方法, 对金鱼Igf2基因的CpG岛在精子、卵子、不同发育阶段胚胎以及成体不同组织中的甲基化情况进行分析, 结果表明, 与哺乳动物Igf2基因一样, 金鱼Igf2基因内部也存在差异甲基化区域, 该区域在卵子中没有甲基化, 在精子中被高度甲基化; 但与哺乳动物印迹基因不同, 金鱼的双亲特异性甲基化差异不能在胚胎发育过程中保持稳定, 可能是脊椎动物进化早期的一种初级的基因组印迹. 这些结果说明, 低等脊椎动物中存在基因组印迹进化的基础, 基因组印迹不是哺乳动物单独进化产生的     

花是如何起源的?

花的起源是植物学和进化生物学中的重要问题,长期以来备受关注.近年来,分子系统学、进化发育生物学和基因组学的兴起和蓬勃发展,不仅为花起源的研究带来了新思路,而且更新了人们对该问题的认识.基于这些领域的新进展,人们不仅纠正了前人在理论和模型中的错误、提出了可验证的新假说,而且揭示了花发育MADS-box基因的进化对花起源的贡献.然而,已有研究只能笼统地解释花作为一个整体是如何起源的,并不足以全面揭示花和花器官起源的根本机制.本文在总结与花和花器官起源相关理论和假说的基础上,介绍人们对花和花起源问题的新见解,探讨花起源机制的复杂性,指出花的起源和基本结构的建立涉及诸多"小"的关键性状的改变,认为只有对这些性状进化的分子机制进行研究才能真正揭示花起源的内在原因.     

志贺氏菌属各亚群菌株基因组“共有骨架”组成的分析

不同原核生物在基因组组成上的差异是其生物学性状差异的基础. 然而，进化中亲缘关系较近的菌群, 其基因组除了含有群或株特异的基因外, 还含有反映它们起源和进化痕迹的“共有骨架”结构, 而这些“共有骨架”恰恰是它们基本生存能力和共有生物学性状的基础. 志贺氏菌在起源和进化上与大肠杆菌极为密切, 目前倾向于将二者划为同一个种. 利用大肠杆菌K-12全基因组及Sf301特异性ORFs的芯片研究了志贺氏菌4个群间的基因组组成. 结果显示, 分别有16%~22% K-12的ORFs序列没有在志贺氏菌的基因组中被检测出, 而志贺氏菌的基因组中包含至少2800个保守的ORFs, 组成了其共有的“共有骨架”. 进一步分析提示, 这些“共有骨架”是维持肠道细菌正常生命生理活动所必需的基本组成. 此外, 只有20%的Sf301特异性ORFs同时存在于其他3个菌株中, 揭示了各菌株间基因组的异质性和菌属内的遗传多样性.     

从线粒体和叶绿体基因组的结构看生物基因组的进化

通过分析各类真核生物线粒体和叶绿体基因组的大小与结构,得出这两种细胞器基因组都有小基因组与大基因组两种形式以及与之对应的结构特点,从而都是通过两种进化途径从它们各自祖先的基因组发展成为现代的线粒体和叶绿体基因组的结论。比较细胞器基因组与核（类核）基因组的存在和性质,发现类似的两种途径同样可以说明核（类核）基因组的进化。结合这三种基因组的起源问题,提出了一个生物基因组起源和进化的统一模式。     

非编码RNA: 比较近缘物种及寻找雄性功能基因

非编码RNA是近来发现的一类具有重要功能的基因. 本文针对“果蝇近缘物种间性腺特异ncRNA表达图谱存在显著差异”一文, 讨论其涉及的内容对ncRNA研究领域发展的意义. 该文采用比较基因组分析与基因间区RT-PCR相结合的简便而有效的非编码RNA检测手段, 在黑腹果蝇中鉴定出12个性腺特异性表达的非编码RNA基因, 并发现他们在黑腹果蝇及其近缘种间的表达存在差异. 这一结论一方面暗示了同一个非编码RNA基因在物种进化过程中演化出了各自的表达调控机制, 另一方面也为性别发育生物学和进化生物学研究提供了一个有价值的ncRNA基因的研究平台.     

水平基因转移在生物进化中的作用

水平基因转移现象的发现揭示出生物进化的另一条途径,并引发研究人员对生物进化描述方式进行更多的思考和讨论.目前普遍认为,水平基因转移在原核生物和单细胞真核生物中发生较为频繁,并且是二者进化的重要动力,但在多细胞真核生物中,其发生范围及进化意义尚存争议.本文列举原核生物、单细胞真核生物以及多细胞真核生物3个重要类群(动物、植物、真菌)中已被报道的部分研究实例,分析水平基因转移在这些类群进化过程中的作用及其产生的影响.此外,还简要地介绍了目前水平基因转移常用的检测手段、可能的发生机制以及其发生的倾向性,并对未来多细胞真核生物水平基因转移事例的发现作出预测.     

宇宙线起源中物理学前沿问题

宇宙线是由奥地利物理学家赫斯在1912年高空气球实验中发现的.此后,人们在宇宙线的研究中发现了众多的基本粒子及其相互作用规律,中微子振荡的最早发现也来自太阳中微子和大气中微子实验.迄今为止,人们所知道的最高能量的粒子也来自于宇宙线的观测.宇宙线的起源、加速和传播是一个世纪科学问题,从中诞生了高能伽玛天文学、高能中微子天文学和极高能宇宙线天文学.目前,人们已经发现了为数众多的电子加速源,但作为宇宙线成分中最为主要的核子,其起源问题依然没有解决.精确测量宇宙线核子的成分和能谱,观测和研究高能伽玛射线、高能中微子及极高能宇宙线的产生地点和相关机制,有助于解决宇宙线的起源问题.此外,这些研究也是间接探测暗物质粒子,研究宇宙演化和新物理学规律的重要手段.     

福氏2a志贺氏菌301株基因组水平的缺失基因分析

在完成福氏2a志贺氏菌 301株全基因组序列测定工作的基础上, 以非致病性大肠杆菌K12 MG1655株的全基因组序列为参比对象, 进行比较基因组学分析. 结果显示, 与大肠杆菌基因组相比, 福氏2a志贺氏菌 301株基因组中共有136个长度大于1000 bp的片段缺失, 总长为717253 bp. 这些缺失片段中共包含670个可读框(ORF). 通过对ORFs编码产物的功能预测和分析, 发现这些缺失的ORFs主要编码与细菌代谢相关的酶类、结构蛋白、基因转录调控因子以及与细菌遗传物质水平转移相关的元件. 这不仅从全基因组水平揭示了两种具有不同生物学特性和表型的重要肠道细菌的分子差异, 而且为进一步探索其生理活动过程、致病机制以及肠道细菌间的进化等诸方面的问题提供了有价值的线索.     

人类群体中的达尔文正选择

概述了现代人群中存在的大量受达尔文正选择作用的基因, 如大脑发育相关基因、免疫基因、生殖相关基因及感觉受体基因等. 这些基因的进化特性将会为人类进化、各种疾病机理等研究提供重要线索. 随着群体遗传学数据以及比较基因组数据的增多, 越来越多的证据表明, 达尔文正选择作用在人类起源和进化上起着不可或缺的作用. 本文还介绍了检测正选择作用的常用方法, 分析了所面临各种干扰因素, 并对进一步的研究作了展望.     

胰核糖核酸酶基因(RNASE1)重复与功能分化

适应是生物进化中最根本的问题之一. 胰核糖核酸酶(RNASE1)由胰脏分泌, 是一种非常重要的消化酶. 目前已证实RNASE1基因重复与前肠发酵食草动物中独特消化系统的功能适应紧密相关, 成为研究动物对食性适应性进化遗传机制的重要模式系统之一. 同时有研究发现, 在不具有前肠发酵特征的某些哺乳动物中也存在RNASE1基因重复事件, 提示该基因在这些物种中可能产生了新的组织特异性或功能. 文章综述了RNASE1基因在动物适应性进化, 包括食性方面的研究进展.     

奠基者基因的进化年龄及其意义

宏演化的趋势之一是生物由简单到复杂。传统上,这是古生物学、比较形态学和进化发育探讨的主题。随着基因组数据的不断积累,当今一支以基因组进化年龄层分析为主要研究方法的新军加入了进来。基因组进化年龄层就是在系统发育层面上新出现一组共同起源的奠基者基因。本文将介绍这支新军及其在个体发育和肿瘤研究上发挥的作用。     

高通量测序解析哺乳动物飞行进化的分子机制

蝙蝠(bats)是唯一能够自主飞行的哺乳动物,其前肢进化为翼手,手臂和手指显著延长,手指之间具有宽阔的指间膜.蝙蝠翼手发育与进化的分子机制,虽然已有十几年的研究历史,但仍然不明确.近期,利用先进的高通量测序技术,包括全基因组测序、转录组测序(RNA-Seq)和染色质免疫沉淀测序(Ch IP-Seq),研究者们发现大量调控蝙蝠翼手发育的差异表达基因和调控元件,证明蝙蝠翼手形成的主要原因是多基因表达模式的改变和表达调控元件的适应性分子进化.未来研究哺乳动物飞行进化的分子机制问题,应关注关键基因和重要调控元件的功能以及基因间的相互作用.     

纤毛虫原生动物的分子生物学研究:若干热点领域及新进展

作为分子生物学研究的重要模式材料,纤毛门原生动物在细胞生物学、遗传学、基因组学、生态学以及真核生物的起源和进化等领域均具有重要的研究价值.近年来,本团队在纤毛虫多样性和细胞学研究的同时,聚焦在纤毛虫的分子生物学领域并形成了一批新成果:完成了多个代表性类群2000余条标记性基因的测序和提交以及基因标记筛选、拓扑结构优化等相关的方法学探讨;以此为基础,开展了门内50余个纲目级阶元系统关系的梳理以及基于多基因分析对整个纤毛门的系统树重构建;揭示了四膜虫(Tetrahymena)的一个重要表观遗传学新现象,即特异性修饰组蛋白H3第27位赖氨酸的单甲基化酶TXR1的敲除将严重影响DNA复制延伸的速度和保守度,证实了表观遗传信息的微扰可直接影响遗传信息的复制;对具沟急游虫(Strombidium sulcatum)等6个代表种的转录组/全基因组/线粒体基因组的测序和分析,为纤毛虫进化过程中关键节点种类定位、寻找功能基因家族与形态特征的相关性提供了大量信息;首次发现了选择性拼接在钩刺斜管虫(Chilodonella uncinata)的基因家族中广泛存在并提出一新的理论模型:选择性拼接可能是基因乱序进化过程的中间形式,为探讨纤毛虫物种分化、形成机制提供了一新的视角;在对DNA条形码候选基因分析比较的基础上,初步揭示出不同纤毛虫类群生境间的迁移机制,发现和定位了4个优良候选区段并构建了80余种代表性类群的基因条形码数据库.     

1998～2003年:美国人类基因组计划的新目标(续)

目标4──功能基因组学技术人类基因组计划正在对生物学和医学在下一个世纪及其以后的研究产生革命性的作用。整个基因组序列的获得为生物学带来了一种常称为功能基因组学的新方法──在基因组水平上阐明DNA序列的功能。一些已经完成测序的生物的经验证实了许多基因和基因组的其它功能元件仅在整个DNA序列已知的情况下才能得以发现,序列数据的积累将促进这些发现。但是,获知一个基因或者其它元件的结构仅仅回答了问题的一部分。下一步是通过了解基因组与它们所处环境的相互作用来阐明其功能。目前在基因组水平上研究DNA功能的方法包括…     

反基因组学的沉思——评迈克尔·林奇的《基因组架构的起源》

生物学领域的每个人都保持有这样的一种预言:在今后几年内,人们将得到进化生物学中一些重要问题的答案.但是,人们对那些问题究竟是什么却多有歧义.各种"组学"(基因组学、蛋白质组学、转录本组学、代谢本组学乃至表型组学)的热衷者们相信,正如迈克尔·林奇(Michael Lynch)在其《基因组架构的起源》一书的最后一章中所指出的那样:"我们可以对两件事保持自信,即关于进化过程的理论机制的建立是切实有效的;很快我们将得到DNA水平的相关数据而有效地产生突破."其他人,如林奇出于某种原因而批评过的肖恩·卡罗尔(Sean Carroll)等人则持怀疑态度.     

脊椎动物附肢发育及进化机制的研究进展

动物形态的多样性造就了丰富多彩的动物世界.脊椎动物附肢形态的发生一直以来是研究物种形态进化发育的典型例子.脊椎动物的附肢在漫长的进化历程中发生了多次重大的改变,这大大提高了脊椎动物的适应性.另外,在由水生鳍向陆生足演化以及四足动物形态各异的四肢发育过程中,涉及很多与发育相关的基因和调控通路.本文结合发育生物学和遗传学的证据,综述了近年来对脊椎动物四肢发育及进化机制的相关研究,强调了基因的时空差异表达及调控是造成生物形态适应性进化的主要驱动力.     

稻属AA型物种叶绿体基因组的适应性进化

稻属AA型物种包含栽培稻和与其最近缘的野生稻物种,是稻属植物中一个重要的类群.为了探究稻属AA型物种叶绿体基因组的适应性进化,以AA型稻属物种中已经公布的6个叶绿体基因组为对象,利用PAML和Selecton对叶绿体基因进行适应性进化的分析.研究发现,4个基因(matK,ccsA,psbB和rpoC2)经历了正选择作用,并对基因的正选择位点进行了定位,初步分析了正选择位点的变异特点,探讨了正选择位点与蛋白质结构保守性的关系.本研究为深入了解稻属的叶绿体基因及其适应性进化提供了重要参考.     

人类独特表型遗传基础的研究进展

大约500万年前人类(Homo sapiens)和黑猩猩(Pan troglodytes)分歧之后,人类在进化过程中逐渐形成了很多独特的表型.什么样的遗传变异造就了如此独特的人类呢?近10年来,通过比较人类和其他非人灵长类的基因组序列,研究者已经发现了许多基因组区域在人类中受到自然选择而发生了人类特异的遗传改变,包括基因编码区的改变、基因表达调控的改变、基因的丢失和基因的重复等.这些不同水平的遗传改变在进化过程中通过自然选择的作用在人群中固定下来,对人类独特表型的产生有着重要贡献.本文将从这4个遗传层面介绍人类特异表型与遗传变异的关系.另外,文中也介绍了利用基因编辑技术建立人源化的诱导多能干细胞及转基因动物模型研究人类特异突变和表型的关系,以及新的测序方法在筛选群体中天然突变个体中的应用.     

脊椎动物线粒体全基因组中的超级保守序列与进化

近年来, 超级保守序列及小RNA研究受到了高度重视, 它们在后基因组时代正起着越来越重要的作用. 通过对540多兆数据的比较分析, 在352种脊椎动物线粒体全基因组中发现了4段独有的超级保守序列, 它们的长度为22~30 bp. 令人惊讶的是, 它们清楚地反映了某些生物种属的不同分类与可能的进化关系, 并且这些发现可以帮助澄清鸟类与爬行类间的进化关系, 推测线粒体并不是低等动物基因组中的一个简单拷贝.     

人类基因组中减数分裂重组对二核苷偏好性的影响

二核苷相对丰度谱是反映基因组整体水平上的选择压力或突变偏好性的“基因组指纹”, 它在基因组进化研究、系统发生分析中发挥着独特而重要的作用. 因此, 揭示基因组指纹的形成和进化的压力是基因组进化研究的重要内容之一. 本文着重研究人类基因组中二核苷偏好性和减数分裂重组率的关系. 结果发现, 在整个基因组范围内编码序列的总体二核苷偏好性与重组率显著负相关, 而对非编码序列来说却显著正相关. 另外, 本研究给出了特定二核苷偏好性与重组率的关联模式, 并讨论了重组率与二核苷偏好性的相互作用机理. 结果表明, 重组对基因组指纹的形成与进化有着重要的作用.