假基因研究进展

假基因是功能基因的缺陷拷贝,它在序列结构上与功能基因非常相似,但已丧失了正常的蛋白质编码功能．假基因曾被认为是一类典型的非编码“垃圾DNA”,而如今人们发现假基因在基因表达调控和基因组进化过程中发挥着重要作用．从假基因的起源、序列结构特征、假基因的识别、假基因在染色体上的分布、分子进化规律,以及假基因功能等几个方面较为全面地介绍了该领域的最新研究进展．     

假基因的功能及其在癌症疾病中的重要作用

假基因是一段具有与功能基因相似的DNA序列,但由于存在许多突变以致失去了原有的功能。过去的研究认为假基因是没有功能的DNA片段,是基因组进化过程中产生的噪音。然而,随着分子生物学技术的发展,越来越多的研究证明了假基因具有重要的生物学功能。假基因可与功能基因竞争性结合miRNA,从而调控功能基因的表达;假基因还可产生内源性小干扰RNA抑制功能基因的表达;甚至有的假基因还可以编码具有功能的蛋白质。文章通过假基因的分类、假基因的识别、假基因的功能和假基因与癌症疾病的关系等方面综述了假基因研究的最新进展。     

假基因的组成、分布及其分子进化

假基因（pseudogene）是指基因组中与正常基因序列相似,但是缺乏功能的DNA序列.通过序列同源性搜索,可以收集基因组中假基因的群体特性、染色体分布和同源家族等特性.假基因很好地保留了数百万年前基因组中祖先基因的分子记录,被视为＂基因化石＂,因此假基因在进化和比较基因组学中是重要的资源.应用假基因和基因比较体系,可以探究生物基因的进化史和基因组稳定性.如：用Ka/Ks比值确定假基因的自然选择压、物种亲缘关系和进化距离,分析假基因自身的进化趋势,探讨DNA突变的成因等.     

假基因的组成、分布及其分子进化

假基因(pseudogene)是指基因组中与正常基因序列相似, 但是缺乏功能的DNA 序列。通过序列同源性搜索, 可以收集基因组中假基因的群体特性、染色体分布和同源家族等特性。假基因很好地保留了数百万年前基因组中祖先基因的分子记录, 被视为“基因化石”, 因此假基因在进化和比较基因组学中是重要的资源。应用假基因和基因比较体系, 可以探究生物基因的进化史和基因组稳定性。如: 用Ka/Ks比值确定假基因的自然选择压、物种亲缘关系和进化距离, 分析假基因自身的进化趋势, 探讨DNA 突变的成因等。     

人类基因组上的假基因

假基因是基因组上与编码基因序列非常相似的非功能性基因组DNA拷贝,一般情况都不被转录,且没有明确生理意义。假基因根据其来源可分为复制假基因和已加工假基因。迄今为止,明确鉴定的人类假基因多为已加工假基因,有8000个之多。在Swiss-Prot/TrEMBL收录的编码蛋白质的将近25500个基因序列中,约10％在基因组中有一个或多个近全长已加工假基因。其余的功能基因都没有已加工假基因。核糖体蛋白基因具有最多数量的已加工假基因,约有l700个(占已加工假基因数的22％),少数基因,如cyclophilinA、肌动蛋白(actin)、角蛋白(keratin)、GAPDH、细胞色素C(cytochromec)和nucleophosmin等则有很多份已加工假基因。总体上讲,假基因在人类染色体上的分布与染色体长度成比例,但已加工假基因在GC含量为41％～46％的染色体区域密度最高。已加工假基因的拷贝数和功能基因在生殖器官中的表达高度一致,说明许多假基因发生在胚胎阶段,另外也和基因中GC含量和基因大小密切相关。假基因的准确鉴定对基因组进化、分子医学研究和医学应用具有重要意义。     

假基因鉴定及其功能分析

被称为"垃圾基因"的假基因是真核生物基因组中的重要组成部分。近年来对假基因的功能研究表明其并非是基因组中的沉默成员。如一些假基因参与RNA转录,一些假基因转录本能够形成小干扰RNA(siRNA),通过小RNA干扰作用调节功能基因。另外,还有研究发现,一些假基因能够通过microRNA调节肿瘤抑制因子。然而,对假基因功能的深入挖掘需要建立在对其更精准、更全面的鉴定基础之上。随着各物种全基因组测序的完成及序列比对算法的完善,全面而又精确地鉴定假基因已经成为可能。下文就近年来假基因相关鉴定方法、调节功能以及在进化上的意义进行了阐述,并对未来假基因研究方向进行了展望。     

假基因的研究进展

伴随着人类基因组计划的完成和后基因组计划的实施,对占人类基因组约97％的非编码序列的研究已展开。在人类、线虫、果蝇以及酵母等生物体中已经发现大量假基因。本文对假基因的命名与分类、结构特征、分布特点、产生过程、识别程序、假基因与蛋白质结构关系、假基因是否具有功能以及在进化过程中作用进行了综述。     

RT-PCR检测HUTP14A mRNA时排除假基因HUTP14C干扰的方法

人类U3蛋白14C基因(HUTP14C)是人类U3蛋白14A基因(HUTP14A)的假基因。两者转录本序列同源性高达95%。常规RT-qPCR技术在检测HUTP14A mRNA丰度时,HUTP14C的存在会影响检测结果。本研究旨在建立检测HUTP14A mRNA时排除HUTP14C干扰的RT PCR方法。本研究设计出能分别从多种肿瘤细胞DNA和RNA中特异性扩增HUTP14A和HUTP14C的引物,避免假基因HUTP14C对其同源基因HUTP14A检测的干扰。在检测细胞系HUTP14A mRNA时,通过DNaseⅠ消除RNA中污染的HUTP14C DNA,用靶向HUTP14C 3′-UTR的siRNA沉默HUTP14C mRNA后,再用RT PCR检测HUTP14A mRNA丰度,使结果更加准确。在18对肝癌及癌旁组织中,利用特异性引物进行RT PCR检测,HUTP14A和HUTP14C mRNA的表达略高于癌旁组织。本研究提示,针对有假基因存在的功能基因,对其mRNA丰度进行检测时,在提取细胞或组织总RNA后,用DNaseⅠ处理,再用RNA直接进行PCR扩增,排除DNA污染后,再进行RT-PCR或RT-qPCR扩增。大多假基因具有较长的3′-UTR区,在该区域设计siRNA特异性沉默假基因的mRNA后,用RT-qPCR检测功能基因的mRNA丰度,可以排除假基因mRNA的影响。在病理组织中检测功能基因的mRNA丰度时,可以根据假基因和其功能基因的序列差异设计出特异扩增功能基因的引物,从假基因的3′-UTR区设计特异扩增假基因的引物,通过RT-qPCR技术分别检测二者的mRNA。     

青蟹线粒体COI假基因的分离和特征分析

线粒体DNA标记在遗传结构和系统进化研究中得到广泛应用,然而核假基因的存在对此有很大威胁。本文以中国东南沿海的青蟹(Scylla paramamosain)为研究对象,利用线粒体COI基因的通用引物和特异性引物进行扩增,分别得到34个假基因（nuclear mitochondrial pseudogenes, Numts）和5个线粒体COI基因序列。在所获得的34个假基因中共定义了29种单倍型,根据序列的相似度,这些假基因可以分为2类,每类假基因都有各自保守的核苷酸序列。第Ⅰ类假基因存在2处插入序列和1处8 bp的缺失序列,这些位点导致了整个阅读框的移位;在第Ⅱ类假基因和5个线粒体COI序列中只有碱基替换,未发现插入和缺失序列。实验结果分析表明,这两类假基因分别代表了2次核整合事件,即核转移事件的最低值。研究结果提示了     

人类基因组中加工假基因分布与重组率和基因密度的关系

分析了人类加工假基因在染色体上的分布,发现加工假基因密度与重组率负相关,而与基因密度正相关。加工假基因在低重组区的积累与插入有害模型和异位重组模型相吻合：在插入有害模型下,低重组区的选择强度由于Hill．Robertson干涉而变弱,所以加工假基因较多地插入到低重组区;在异位重组模型下,同源加工假基因家族（包括同源祖先基因）之内可能发生异位重组而对机体造成危害,所以加工假基因在高重组区的插入受到较强的负选择,导致加工假基因较多地分布在低重组区。除以上两种模型以外,加工假基因还可能通过降低重组率的方式对加工假基因密度与重组率的负相关有所贡献。加工假基因偏好分布在基因密区,这可能与异位重组在该区较少发生有关。     

香港红山茶个体内ITS多态性及物种鉴定的应用

核糖体DNA的内转录间隔区(ITS)一直被作为一种重要的分子标记,却很难用于山茶物种中。通过对1个疑似香港红山茶(Camellia hongkongensis)的样本进行ITS区域的扩增、克隆和测序,从中获得74种不同序列。研究结果表明,其ITS区域具有高度的多态性,其中76%的序列为假基因。系统发育分析显示,超过半数的假基因源自同一祖先。这些假基因在经历多次基因重复后分化成至少5个谱系,且每个谱系中的序列非常相似,这表明一些假基因不但未被剔除,反而通过快速复制事件幸存下来。由于山茶物种个体内ITS的高度多态,使用这个区域区分山茶物种可能导致错误。然而,通过比较香港红山茶中的1个种间特异性r DNA假基因,确定该样本属于香港红山茶。     

ITS 假基因对栎属系统学研究的影响及其对分子系统学研究的启示*

核糖体rDNA ITS 是被子植物系统发育研究中应用最广泛的分子标记之一。以前人们认为同一物种
中的ITS 序列因致同进化而使不同拷贝高度一致, 在分子系统学研究中常以ITS1- 518S- ITS2 序列作为构建
系统进化树的基础。近年来, 在对一些被子植物的研究中发现这段序列在同一物种中具有多态性, 有些拷
贝中的518S 区不具编码功能, 人们把含有不具编码功能518S 区的ITS1-51 8S- ITS2 序列定义为ITS 假基因序
列, 它对同源基因致同进化的假设形成了新的挑战。在诸多应用ITS 序列重建系统进化关系的研究中, 栎
属系统学研究因ITS 假基因的发现而倍受关注。本文以栎属为例回顾了ITS 假基因的发现过程, 分析了其
对该属系统学研究的影响, 为分子生物学在植物系统进化研究中的应用提供一些新的参考。     

关于假基因的研究进展

随着人类基因组计划不断深入,对于占人类基因组 ９７％ 的非表达序列的研究也逐渐成为热点⒚在基因克隆和基因表达研究的过程中,返座假基因是我们经常碰到的问题⒚本文不仅对返座假基因的结构特征进行了小结,并且对返座假基因编码潜能、返座机理以及在进化过程中的作用进行了综述,并报道了该领域的研究成果及发展方向⒚     

加工假基因演化过程中的两种信息流

定义描述DNA序列组分差异性和碱基关联的两个参数,分析了人类加工假基因演化过程中其组分信息和碱基关联信息的变化特征,发现随时间的推移,加工假基因的组分逐步向其侧翼序列漂移,紧邻碱基关联逐步增强。这表明本研究所得参数可很好地用来表征加工假基因的突变信息。     

肾上腺脑白质营养不良分子诊断中假基因干扰的排除

在基因组DNA水平,应用基因突变分析的方法对肾上腺脑白质营养不良进行分子诊断十分重要.由于人体内存在多个肾上腺脑白质营养不良假基因的拷贝,应用PCR-RFLP和PCR产物直接测序等常规方法难以检测一部分的基因突变.为了排除基因组DNA中假基因的干扰,利用扩增阻滞突变系统,成功地分析了一个肾上腺脑白质营养不良（R617G突变）家系成员的基因型.结果表明,扩增阻滞突变系统是排除假基因干扰的有效方法之一.     

山茶属植物ITS的扩增及其序列特征分析

以山茶属(Camellia)植物为实验材料,通过在PCR反应液中加入二甲基亚砜(DMSO)来改进ITS区的扩增效果,并对获得的序列进行了相关的比较分析以及系统发育分析。分析结果表明:(1)PCR反应液中添加4%的DMSO能明显提高ITS的扩增效率,并能有效防止ITS假基因的扩增;(2)与功能拷贝相比,ITS假基因序列的ITS1和ITS2区存在多处碱基缺失,GC含量明显偏低,5.8S区二级结构稳定性降低;(3)应用ITS假基因进行种水平的系统发育分析会对其真实的系统关系造成影响,提示进行系统进化研究时应警惕假基因的干扰。     

ITS假基因对栎属系统学研究的影响及其对分子系统学研究的启示

核糖体rDNA ITS是被子植物系统发育研究中应用最广泛的分子标记之一。以前人们认为同一物种中的ITS序列因致同进化而使不同拷贝高度一致,在分子系统学研究中常以ITS1-5.8S-ITS2序列作为构建系统进化树的基础。近年来,在对一些被子植物的研究中发现这段序列在同一物种中具有多态性,有些拷贝中的5．8S区不具编码功能,人们把含有不具编码功能5．8S区的ITS1-5．8S-ITS2序列定义为ITS假基因序列,它对同源基因致同进化的假设形成了新的挑战。在诸多应用ITS序列重建系统进化关系的研究中,栎属系统学研究因ITS假基因的发现而倍受关注。本文以栎属为例回顾了ITS假基因的发现过程,分析了其对该属系统学研究的影响,为分子生物学在植物系统进化研究中的应用提供一些新的参考。     

长苞铁杉nrDNA ITS区假基因化拷贝的克隆及序列分析研究

NrDNA作为一个重要的工具,在许多分类等级上被广泛地应用于系统发育的分析。以长苞铁杉(Nothotsuga longibracteata)为实验材料,通过nrDNA ITS区特异拷贝的克隆及假基因化分析,在序列水平上探讨假基因化的特征,进而探讨引起多拷贝基因家族假基因化的分子机制。实验结果表明:假基因化拷贝的序列长度为1 745 bp,比其它拷贝短11 bp-12 bp;GC含量明显偏低,特别是5.8 S区和ITS2区的GC含量分别比其它克隆低6.15%-6.17%和5.75%-6.15%;5.8 S区和ITS2区序列变异大,遗传距离(d)分别为0.0718 0.0221和0.0691 0.0178;在系统发育的分析中出现异常的长枝现象。     

鲸类视觉退化分子机制的研究：基于GNAT2和CNGB3基因的进化分析

鲸类是一类次生性的水生哺乳动物,其陆生祖先大约53-56Ma从陆地返回海洋。为了适应水下的弱光环境,鲸类的光感受器以视杆细胞为主,视锥细胞功能大多退化,缺乏辨别颜色的能力,然而鲸类视觉退化的分子机制尚不清楚。本文选择在视锥细胞中表达且对光传导级联反应起重要作用的GNAT2和CNGB3基因,通过PCR扩增、测序以及在数据库中下载已有的基因序列,共获得8个鲸类代表性物种的同源序列。MEGA6.0软件比对发现侏儒抹香鲸和抹香鲸的GNAT2基因分别在148位和1012位插入了1个碱基 A,而抹香鲸的CNGB3分别在554位和1407位有1个碱基的缺失,导致提前终止密码子出现;另外,小须鲸CNGB3基因在1525-1527位出现了提前终止密码子,提示鲸类的这两个基因可能为假基因。通过I-TASSER在线预测GNAT2和CNGB3蛋白的三维结构,发现出现移码突变终止密码子的位置均位于这两个基因的重要功能域。另外,运用PAML软件的Branch model分析表明发生假基因的鲸类物种GNAT2和CNGB3基因出现选择压力放松,且假基因化可能是一个近期事件。侏儒抹香鲸、抹香鲸以及小须鲸的GNAT2和CNGB3基因出现假基因可能与其深潜习性以及完全的水生生境导致其色觉功能丢失相关。此外,Free-ratio model分析发现其他鲸类的ω值接近于1,说明GNAT2和CNGB3基因出现了选择压力放松,这可能是长期适应水生生境视觉退化的结果。     

鲸类视觉退化分子机制的研究：基于GNAT2和CNGB3基因的进化分析

鲸类是一类次生性的水生哺乳动物,其陆生祖先大约53-56Ma从陆地返回海洋。为了适应水下的弱光环境,鲸类的光感受器以视杆细胞为主,视锥细胞功能大多退化,缺乏辨别颜色的能力,然而鲸类视觉退化的分子机制尚不清楚。本文选择在视锥细胞中表达且对光传导级联反应起重要作用的GNAT2和CNGB3基因,通过PCR扩增、测序以及在数据库中下载已有的基因序列,共获得8个鲸类代表性物种的同源序列。MEGA6.0软件比对发现侏儒抹香鲸和抹香鲸的GNAT2基因分别在148位和1012位插入了1个碱基 A,而抹香鲸的CNGB3分别在554位和1407位有1个碱基的缺失,导致提前终止密码子出现;另外,小须鲸CNGB3基因在1525-1527位出现了提前终止密码子,提示鲸类的这两个基因可能为假基因。通过I-TASSER在线预测GNAT2和CNGB3蛋白的三维结构,发现出现移码突变终止密码子的位置均位于这两个基因的重要功能域。另外,运用PAML软件的Branch model分析表明发生假基因的鲸类物种GNAT2和CNGB3基因出现选择压力放松,且假基因化可能是一个近期事件。侏儒抹香鲸、抹香鲸以及小须鲸的GNAT2和CNGB3基因出现假基因可能与其深潜习性以及完全的水生生境导致其色觉功能丢失相关。此外,Free-ratio model分析发现其他鲸类的ω值接近于1,说明GNAT2和CNGB3基因出现了选择压力放松,这可能是长期适应水生生境视觉退化的结果。