基于ISSR, AFLP分子标记和cyclins基因克隆的异源四倍体鲫鲤进化分析

为了解两性可育、遗传性状稳定的异源四倍体鲫鲤基因组的进化情况, 用ISSR, AFLP分子标记及cyclin A1和B1基因克隆的方法, 从多倍体基因组和单个基因在多倍体形成前后的变化两个角度对上述问题进行了探讨分析. 研究结果表明, 异源四倍体鲫鲤经过连续15代培育, 仍然保持了原始亲本遗传性状的稳定性, 但基因组的遗传相似性及cyclins基因的碱基变异水平都说明异源四倍体鲫鲤具有明显的偏母性遗传特性. ISSR和AFLP分析表明, 在异源四倍体鲫鲤基因组中, 除了新产生的、原始亲本中没有的DNA条带外, 还发生了原始亲本的DNA带纹消失, 而且消失的带纹倾向于父本基因组. cyclins基因序列分析表明, 在异源四倍体鲫鲤不同于原始亲本的核苷酸变异位点中, 由于存在密码子单个碱基的非同义突变导致了异源四倍体鲫鲤新的氨基酸位点的产生. 异源四倍体鲫鲤上述基因组的非加性变化, 可能是应对杂交和多倍化冲击而使其趋于遗传稳定的一种适应性变化.     

水稻杂种优势的转录组基础

在杂交种中,亲本等位基因的表达将会发生变化,导致杂交种转录组活性不同于亲本.通过比较杂交种与亲本之间的转录组活性差异,鉴定出这些差异的调控因子并建立起其与表型差异的联系,就可能从分子水平上解析杂种优势形成的机理.在水稻杂交种全基因组基因差异表达分析的不同研究中,由于所采用转录组分析平台和实验取材组织器官等的差异,所鉴别出来的差异表达基因及其在杂交种中的表达变化模式各不相同.然而,某些研究也揭示了一些共性的结果,主要体现在水稻杂交种中差异表达基因的生物学功能在光合作用、碳水化合物代谢和能量代谢途径中富集.对于导致水稻杂交种转录组活性变化的原因,可以从基于基因启动子区顺式调控元件和与其相结合的反式作用因子的遗传调控机制,以及从基于DNA甲基化、组蛋白修饰和小RNA的表观遗传调控机制两方面来进行解释.今后在水稻杂交种转录组活性变化的分析中,需要针对特定的生物学性状来进行,并提高基因差异表达分析的精确性和特异性.此外,由于杂种优势是多个数量性状的综合体现,可以将全基因组的基因差异表达分析与杂种优势的QTL(quantitative trait loci,数量性状位点)定位及GWAS(genome-wide association studies,全基因组关联分析)等数量遗传学方法相结合,以对水稻杂种优势分子机理进行深入解析.     

白血病治疗新曙光

正以基因组DNA和组蛋白的共价修饰为主要标志的表观遗传调控研究已成为生命科学前沿快速发展的热点领域,其中组蛋白甲基化对于基因的转录表达,细胞增殖分化等起着至关重要的调控作用,相关甲基化酶基因的突变或异常会导致多种遗传疾病和癌症发生.中国科学院上海生命科学研究院生化与细胞研究所国家     

从人到线虫的RNAa现象

RNA干扰(RNAi)原理的发现,使人们认识到小RNA-Argonaute通路介导的基因调控总是负性的,即导致基因表达沉默.2006年RNAa(RNA activation)现象的发现颠覆了这一看法,也引发争议.RNAa首先发现于人等哺乳类细胞,是由靶向基因启动子的、小RNA指导的RNAArgonaute通路对基因转录/表观遗传的正性调控.在RNAa过程中,小RNA与Argonaute蛋白形成RNA-蛋白复合物并进入胞核,与染色体上的靶位点结合,导致靶位点的组蛋白修饰等表观遗传的改变从而在转录水平激活基因表达.最近多项在线虫中的研究显示,线虫内源性22G-RNA指导Argonaute蛋白CSR-1在表观遗传水平促进内源性基因表达,以及微小RNA介导的RNAa,从而确立了RNAa是一种至少从线虫到人细胞进化保守的细胞机制,并揭示了小RNA基因调控通路的复杂性和功能多样性.     

体细胞核移植牛肺脏中H19和Xist基因的DNA甲基化状态

在体细胞核移植中, 体细胞的供体核要经过表观遗传修饰的重编程才能获得发育的全能性, 目前认为不完全的表观重编程是导致克隆效率低的主要原因. DNA甲基化是基因组主要的表观遗传修饰方式, 是调节基因组功能的重要手段. 为了探求核移植过程中DNA甲基化的表观重编程是否充分, 利用亚硫酸氢盐测序法分析了印记基因H19和Xist在出生48 h内死亡的体细胞核移植牛和正常对照牛肺脏中的DNA甲基化状态. 结果发现, 体细胞核移植牛中H19基因甲基化程度较低, 与正常对照组相比差异显著(P < 0.05), 并且 9C3个体有3个CpG (第1, 2, 3位)表现出完全非甲基化; Xist基因甲基化程度在体细胞核移植牛和正常对照牛中都较高, 且没有显著差异.     

脂肪细胞分化: 一个故事、两个章节

细胞分化是多细胞个体发育和干细胞实现功能活动的基本过程. 作为诱导白色脂肪细胞分化的体外模型, 小鼠3T3-L1前脂肪细胞系的定向分化过程由依赖于细胞周期特定时相(接触抑制期)的许可阶段和独立于细胞周期的执行阶段所组成. 在接触抑制期, 通过细胞代谢方式、细胞周期调控因子和细胞信号转导通路之间的相互作用, 决定了各种染色质表观遗传修饰因子的活动, 从而导致具备脂肪细胞分化潜能的染色质表观遗传修饰模式的形成. 在随后的执行阶段, 这种分化潜能被激素诱发, 通过复杂的基因调控网络的动态活动, 使各种控制脂肪细胞分化基因表达的转录因子按既定的分化时间表打开或者关闭, 并决定相关的靶基因的表达, 最终导致了脂肪细胞的形成.     

本期专题简介

正近年来随着对遗传信息研究的深入,人们发现现代生物子代从亲代基因组中获得的生长、发育和进化信息并不仅仅取决于基因序列,基因表达过程中的变化对子代表现型也有着重要影响。因此,表观遗传学(Epigenetics)受到了人们的青睐,成为近年来研究的热点。表观遗传学是指在基因的DNA序列没有发生改变的情况下,基因功能发生可遗传的遗传信息变化,并最终导致可遗传的表型变化,而且这种改变在发育和细胞增殖过程中能稳定传递且具有可逆潜能。近年来研究较多的主要有DNA甲基化、组蛋白修饰、非编码     

表观遗传信息的跨代传递

表观遗传是不依赖于DNA序列改变的染色质变化所引起的遗传现象.表观遗传学作为调控环境诱导的表型的机器,通过调控基因在时间和空间的特异性表达,将个体获得的性状传递给子代.表观遗传信息跨代传递的证据逐年涌现,亲代饮食、生活经历以及生活习惯等可影响子代的代谢以及对应激的响应,而表观遗传信息主要由DNA甲基化、小RNA、组蛋白修饰、染色体的状态、转录因子的丰度以及阮病毒等6种载体传递.本文重点探讨了DNA甲基化和小RNA介导的表观遗传信息跨代传递,包括印记基因和非印记基因的DNA甲基化改变以及精子中mi RNA和t RNA片段介导的后代性状改变.鉴于外界环境的复杂性和不可控性以及表观遗传修饰的可塑性,表观遗传信息跨代传递的研究也面临诸多挑战,但新的方法和测序技术为揭示表观遗传信息的跨代传递的分子机制提供了新的机遇.基于表观遗传信息的跨代传递,我们应重新认识体外受精、基于遗传学的药物设计等社会问题对后代潜在的影响,为预防相关疾病及政策制定提供新的视角.     

一种四倍体鲤科鱼Sox基因的克隆和序列分析

为了研究重要功能基因在多倍体基因组中的演化情况, 通过分子克隆的方法从四倍体大鳞结鱼(Tor douronensis)中获得13条Sox基因序列, 分别为SoxB, SoxC和SoxE组成员. 对大鳞结鱼Sox基因系统进化分析的结果支持鱼类特异的基因组重复的假说, 同时表明, 基因Sox19可能为真骨鱼特有的Sox基因家族成员. 序列分析显示, 与其他物种相比大鳞结鱼中Sox基因的碱基替代, 绝大多数为同义替代. 结果表明, 所得到的Sox基因序列均受到净化选择, 同时由多倍化所造成的重复基因对Sox4a, Sox9a和Sox9b受到相同的净化选择压力. 根据基因Sox9a和Sox9b重复基因对间内含子序列长度和相似性的差异推测大鳞结鱼可能为异源四倍体.     

浅析基因组大小的进化机制

基因组记录着物种的全套核苷酸序列信息,其大小与物种进化地位之间的关系由于"C值悖论"的提出而引人关注.本文回顾了关于基因组大小研究的历史,简述了基因组大小和细胞性状及自身组成之间关系的研究进展及相关假设,并在不同分类尺度上分析了影响基因组大小进化的可能因素.我们认为随着进化地位的提高和相应的遗传信息量增加,基因组大小有增加的内在必然性;但是在真核生物中,随着基因组的增大,增加的DNA逐渐由基因序列转变为主要是内含子和基因间区等非编码DNA序列,而非编码序列的大量增加并不明显改变物种的进化地位,却在很大程度上掩盖了基因组大小与物种进化复杂度之间的相关性,从而导致了C值悖论.我们认为分子突变导致了基因组大小的变化,而自然选择对保留有益的变化起到了重要的作用.     

表观遗传学前沿述评

正表观遗传学是细胞调控基因表达的众多方式之一,它研究基因在不改变其遗传密码或DNA序列的情况下开启或关闭的机制。表观遗传学帮助科学家更好地理解复杂多样的生物过程,如细胞分化、基因组印记和X染色体失活,并通过两个机制过程进行操作:组蛋白修饰(如甲基化、乙酰化、泛素化和磷酸化)以及胞嘧啶碱基对的直接甲基化。作为表观遗传学评估和干预的两种新方法,APOBEC偶联表观遗传测序(ACE-seq)和CRISPR具有显著增强表观遗传学研究及其临床应用的潜力。     

表观遗传学修饰的遗传模式及其研究进展

表观遗传学是指在DNA序列不发生改变的情况下基因表达发生的稳定、可遗传的变化,主要研究DNA甲基化、组蛋白修饰、非编码RNA修饰、X染色体失活、基因印记、染色质重塑等修饰对基因表达的调控作用.此外,这些修饰还受到环境因素的影响,并与之共同对细胞和个体的表型产生影响.大量研究表明,表观遗传学修饰在很多疾病包括癌症中都存在异常.然而,这些可遗传的修饰如何向子代传递的机制还不是很明了.本文汇总和概括了近年来本领域的研究进展,为今后在分子水平和个体水平的表观遗传机制的研究及应用提供一定的理论基础.     

生命之初,新在哪里:我们为何生而不同

新生命究竟"新"在哪里?经典的遗传学观念认为基因决定表型,但同卵双生的双胞胎基因几乎完全相同,为何依然存在很大差别?越来越多的研究证实,代际间的表观遗传改变决定了我们生而不同。表观遗传学是指独立于DNA序列改变的遗传,主要包含DNA甲基化、组蛋白修饰和非编码RNA等。本文生动形象地介绍了表观遗传的概念及核心内容,重点描绘了表观遗传修饰(包括DNA甲基化和组蛋白修饰)在早期胚胎发育过程中的动态变化,有助于我们深入理解表观遗传在新生命发生过程中的作用。     

HBV cccDNA的表观遗传学修饰及调控

乙型肝炎病毒(hepatitis B virus, HBV)感染是一个重大的世界性公共卫生问题. HBV能够引起急性或慢性病毒性肝炎,最终导致肝硬化甚至肝癌的发生.现行的临床抗HBV药物,如α干扰素和核苷(酸)类似物等,虽可有效抑制病毒复制,但不能彻底清除病毒.其根本原因在于, HBV感染肝细胞后形成共价闭合环状DNA(covalently closed circular DNA, ccc DNA),并以微染色体的形式独立稳定存在于肝细胞核内.表观遗传学修饰可在不改变DNA序列的情况下,影响基因的表达.越来越多的证据表明, ccc DNA的表观遗传学修饰是调节HBV生活周期的重要因素.本文就HBV ccc DNA的表观遗传学修饰和调控作用、表观遗传修饰药物和治疗,以及表观遗传学研究方法和体系等进行综述.     

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     

节肢动物早期演化的基因背景

我国云南昆明和澄江等地下寒武统帽天山页岩动物群保存的大量处于不同演化阶段的节肢动物化石为研究节肢动物早期演化提供了物质依据. 最近研究表明, 节肢动物起源及其冠支类群早期演化分别由以外骨骼分节和背甲关节的形成、具关节附肢的形成和复合型头区的形成为特征的体节化事件、附肢化事件和头区化过程所组成. 本文结合发育生物学研究探索节肢动物起源及其早期演化的基因背景, 认为附肢化过程与Hox基因分别参与附肢D-V轴和P-D轴的调控作用有关. 头区化过程与原躯干前端体节形成机制的变化有关. 化石和发育生物学研究表明在复合型头区形成初期, Hox基因的表达在不同体区的分化已经发生; 但Hox基因直到冠支类群演化的早期阶段尚未对附肢特异化起明显的调控作用. Hox基因对体节和附肢特异化调控作用是冠支类群演化的后期事件.     

果蝇3个新的小分子非编码RNA的鉴定

通过比较基因组和分子生物学方法分析了果蝇属中5种果蝇全基因组内含子区域的保守序列, 获得了3个新的非编码RNA基因. 其中一个为具有典型的box C/D家族保守元件及结构特征的核仁小分子RNA基因, 其功能序列可介导28S rRNA的C2673位点的核糖甲基化修饰. 另外两个为miRNA基因, 其转录序列可形成典型的miRNA前体茎环结构; 在果蝇发育的4个时期均可表达产生长度为23个核苷酸的成熟RNA分子. 结果还表明, 在长度为100~500 bp区间的黑腹果蝇基因内含子中存在396个多物种保守序列(MCIS), 这些序列除编码小分子RNA外, 还可能与影响基因转录或转录后加工的顺式元件有关.     

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.     

什么决定了物种的多样性?

物种多样性是生物多样性在物种水平上的表现.物种是构成生态系统多样性的基本单元,同时又是遗传多样性的主要载体.物种还是人类社会持续发展所依赖的、需要重点保护的资源.因此,回答"什么决定了物种的多样性"兼具重要的理论和实际意义.首先,从漫长的生命演化历史来看,物种多样性总量受物种形成和物种灭绝两个相互对立的力量所支配,这种"生"与"死"的较量决定了物种多样性的发展及其波动规律.其次,在局部和较小的时间尺度上,生物生存的地理区域以及气候条件是决定物种多样性的关键因素.尽管已有许多不同的假说被提出,但由于地域因素和气候因素无法分割,迄今仍很难通过某种特定模型对物种多样性做出准确的评估和预测.再次,生物类群的生物学特性也会影响自身的物种形成或灭绝的速率,从而造成不同类群在多样化速率上的不同以及面对外部环境变化在适应能力上的差异.最后,需要强调的是,人为因素是影响物种多样性水平及其变化的不可忽视的重要因子.这一方面来自人类社会发展和人口膨胀对物种多样性产生的不利影响;另一方面在于人类对自然界生命认识的欠缺,包括至今都没有一个明确、可操作的物种概念,物种发现、描述和分类等基础性工作仍任重而道远.     

利用RAPD对大豆属植物系统学研究的初报

DNA分子操作技术的发展,使生物学家能够在DNA水平上进行基因组差异的分析.RFLP是最近十多年发展起来的用于基因组研究的方法.它已被广泛应用于生物进化、起源、群体遗传等领域.但是对于那些高度自交,遗传背景狭窄的物种测难以有效地利用RFLP进行基因组分析.1990年Williams和Welsh同时开创了利用人工合成的短核苷酸引物经PCR反应进行基因组DNA多态性分析的新方法,即 RAPD技术(Random amplifiedPolymorphic DNAs).由于这一技术能快速、有效地进行基因组DNA多态性检测.因此虽然其诞生时间很短,但已广泛应用于基因组研究的各个方面.