生物分子网络弹性研究进展

弹性是生物分子网络重要且基础的属性之一,一方面弹性赋予生物分子网络抵抗内部噪声与环境干扰并维持其自身基本功能的能力,另一方面,弹性为网络状态的恢复制造了阻力。生物分子网络弹性研究试图回答如下3个问题：a. 生物分子网络弹性的产生机理是什么？b. 弹性影响下生物分子网络的状态如何发生转移？c. 如何预测生物网络状态转换临界点,以防止系统向不理想的状态演化？因此,研究生物分子网络弹性有助于理解生物系统内部运作机理,同时对诸如疾病发生临界点预测、生物系统状态逆转等临床应用具有重要的指导意义。鉴于此,本文主要针对以上生物分子网络弹性领域的3个热点研究问题,在研究方法和生物学应用上进行了系统地综述,并对未来生物分子网络弹性的研究方向进行了展望。     

基因调控网络的生物信息学研究

调控网络的研究对于深入理解细胞的决定和分化、多细胞生物的生长发育至关重要。在调控网络中调控元件、基序(motif)、组件(module)、网络整体的拓扑学结构等4个结构层次进行的研究已经发展出了几类主要方法,但仍然有些问题需要解决。用理论方法及基于生物工程技术和合成生物学中研究成果的方法,建立调控网络Circuit的可计算模型的标准和数据库也在不断发展中。新近的研究还显示,高拟真度的Circuit模型与Circuit重建的研究方法联用,可以切实地解决许多调控网络研究中的重要问题。     

石榴WRKY基因家族全基因组鉴定与表达分析

WRKY蛋白是一类在植物生长发育过程及生物与非生物胁迫过程中起重要调控作用的转录因子。该研究利用石榴全基因组数据,采用生物信息学的方法,对石榴WRKY转录因子家族成员蛋白理化性质、系统进化、基因结构、保守基序、顺式作用元件、蛋白互作及基因共表达和转录组表达模式进行系统分析。结果共鉴定出69个PgWRKY基因;分组鉴定和进化分析显示WRKY蛋白可分为Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ共三大类型。顺式作用元件分析表明,PgWRKY基因广泛参与到非生物胁迫中;蛋白互作网络与共表达分析暗示PgWRKY基因在同一胁迫应答中可能作用一致并同时诱导表达;RNA-Seq数据分析表明,PgWRKY基因有一定的组织表达特异性,广泛参与植物营养、生殖生长以及根部逆境胁迫应答过程。     

拟南芥F-box蛋白家族的功能研究进展

F-box蛋白是一类含有F-box基序、在泛素介导的蛋白质水解过程中具有底物识别特性的蛋白质。该文对国内外近年来有关F-box家族在拟南芥中的数量、种类以及在生长发育、细胞信号转导、生物及非生物逆境胁迫等多种生理过程中的作用等方面的研究进展进行综述,以期促进该家族基因在拟南芥和其他重要农作物中的功能研究,尽快描绘出该家族在植物中的代谢网络图谱。     

生物多样性与生态系统服务关系研究进展

生物多样性与生态系统服务关系是当前生态学研究的热点之一,2005年千年生态系统评估之后如何将两者关系应用到生态系统管理和政策制定中逐渐受到重视。然而,从理论上的两者关系认知到应用上的管理实践仍面临着严峻挑战,梳理已有研究成果有利于更好地指导管理实践。本文基于近年生物多样性与生态系统服务关系的主要研究成果,从生物多样性对生态系统单种服务、多种服务、生态系统服务权衡的影响以及环境变化如何影响这些关系等方面,总结了两者关系的主要研究进展,概述了两者关系在自然保护区管理、森林生态系统管理、退化生态系统恢复和农业生态系统改善等领域中的应用,分析了两者关系研究中依然存在的不足之处,强调未来需加强的研究方向主要包括: 生物多样性不同组分相互作用和多营养级生物多样性相互关系对生态系统服务的影响、环境耦合变化对两者关系的复合效应以及生物多样性改善生态系统服务的实践途径。     

计算系统生物学:理论、方法及在药物研发中的应用

计算系统生物学是一个多学科交叉的新兴领域,旨在通过整合海量数据建立其生物系统相互作用的复杂网络。数据的整合和模型的建立需要发展合适的数学方法和软件工具,这也是计算系统生物学的主要任务。生物系统模型有助于从整体上理解生物体的内在功能和特性。同时,生物网络模型在药物研发中的应用也越来越受到制药企业以及新药研发机构的重视,如用于特异性药物作用靶点的预测和药物毒性评估等。该文简要介绍计算系统生物学的常见网络和计算模型,以及建立模型所用的研究方法,并阐述其在建模和分析中的作用及面临的问题和挑战。     

盘基网柄菌肌动蛋白的生物信息学分析

盘基网柄菌Dictyostelium discoideum是目前黏菌中研究最清楚的模式生物,其捕食过程与肌动蛋白的多聚化密切相关。为探讨盘基网柄菌肌动蛋白的序列特征,本研究利用生物信息学方法分析了盘基网柄菌32条肌动蛋白的蛋白-蛋白相互作用(protein-protein interaction)和可能含有的保守基序。结果表明:盘基网柄菌32条肌动蛋白与其他蛋白存在一组复杂相互作用关系和5组比较简单的相互作用关系;利用MEME SUITE分别分析盘基网柄菌32条肌动蛋白序列的保守基序和与actin17呈最佳匹配的21种生物肌动蛋白的保守基序,结果共获得6个保守基序,即motif1,motif2,motif3,Motif1,Motif2,Motif3。其中motif1,Motif1,Motif3为本研究新发现的保守基序,这3个保守基序可定位于Profilin-actin-VASP202–244(PDB ID:3CHW)三维结构的重要位置。以上结果表明actin3,actin10,actin14,actin15,actin17,actin31可能为盘基网柄菌比较重要的肌动蛋白;motif1,Motif1,Motif3可能是盘基网柄菌肌动蛋白在进化中重要的保守基序。     

可溶性三聚化CD40-异亮氨酸拉链融合蛋白的制备及鉴定

以克隆的CD40cDNA为模板,经多步PCR构建羧基端融合异亮氨酸拉链(isoleucine zipper,IZ)三聚化基序和His6标签的可溶性CD40融合蛋白(sCD40IZ)的原核表达载体,在大肠杆菌中获得高效表达,分子量为27kD,与理论大小相符,表达产物主要存在于包涵体中,对包涵体蛋白进行稀释复性和纯化得到可溶性的sCD40IZ重组蛋白,该蛋白在溶液中的分子量为91kD,表明最有可能以三聚体形式存在。活性分析显示该蛋白能够与细胞上的CD40L结合,并且其结合活性与不含IZ基序的可溶性CD40相比明显提高。这些结果表明,在可溶性CD40羧基端融合IZ基序能够促进形成三聚体,并且具有增强的配基结合活性。     

封面故事

<正>生物系统中存在大量相对独立的、具有特定生物功能的网络模块,其中自调控(或自反馈)环路是最典型、最简单的调控网络模块。对于某些模式生物,自反馈环路已经被辨识,例如,在模式生物E.coli的转录网络中,超过40%的转录因子都依赖于     

权重基因共表达网络分析在生物医学中的应用

高通量生物监测方法可以同时检测同一样本的上千个参数,其在生物医学中的应用越来越广泛,但如何系统地分析并从高通量数据中挖掘有用信息,仍是一项重要的课题。网络生物学的出现使人们对复杂生物系统有了更深刻的理解,组织/细胞功能执行具有模块化特点。目前,相关网络(Correlation network)被越来越多地应用于生物信息学,权重基因共表达网络分析(Weighted gene co-expression network analysis,WGCNA)是描述样品基因表达相关模式的一种系统生物学工具。在此,对WGCNA在疾病分型及预后、发病机制和其他相关领域研究进展作一个较为系统的综述。首先,对WGCNA的原理、分析流程和优势缺点进行总结。其次,介绍如何用WGCNA研究疾病、正常组织、药物、进化和基因组注释。最后,结合新高通量技术展望WGCNA应用新空间。以期科研工作者能够对WGCNA的应用有所了解。     

提高辅酶Q_(10)口服生物利用度的方法与思考

难溶性药物口服生物利用度较低一直困扰着该类药物的发展。尽管随着制剂技术及辅料的不断开发与发展,使得此问题有一定的改善,但仍然达不到人们预期的目标。近几年,药物纳米化成为国内外提高生物利用度的热门方法,虽然该方法存在着一定的优势,同时也存在一些问题。另一种提高口服生物利用度的主流方法为使用生物粘附材料,增加制剂在生物体内的粘附性。本文以辅酶Q10为代表药物,阐述了药物纳米化与增加生物粘附性两种方法结合,提高其口服生物利用度,为解决其它相同类型药物的问题提供了新思路。     

中国森林生物多样性监测: 科学基础与执行计划

中国森林生物多样性保护和恢复措施的制订依赖于生物多样性的监测信息。设计一个有效的生物多样性监测网络是一项复杂的系统工程。监测网络的设计框架可分为监测目标、监测对象、监测指标、取样策略、数据采集和处理、网络维护以及组织工作等几个部分。目前, 国际上已有5个得到广泛认可的生物多样性监测网络, 包括地球观测组织-生物多样性监测网络、全球森林监测网络、热带生态评估与监测网络、泛欧洲森林监测网络和亚马逊森林清查网络, 它们的监测目标、监测内容和方法、样地布局及部分监测成果各有特色。我们试图在全国生物多样性监测、森林资源清查和森林生态系统定位研究的基础上, 通过网络布局、建设和运行, 形成中国森林生物多样性监测网(Chinese Forest Biodiversity Monitoring Network, Sino BON-CForBio)及其监测规范体系。该网络的科学目标是, 在全国尺度上研究不同典型地带性森林的生物多样性维持机制、监测森林生物多样性变化并阐明其机理、研究生物多样性变化的效应。该网络布局以《中国植被区划》中的森林植被区划成果作为顶层设计和监测样地选择的核心依据, 设计了4个层级的监测系统; 其监测指标体系以生物多样性核心指标为主, 并结合我国传统森林群落调查方法进行拓展; 预期建成国家水平上的森林生物多样性监测网络, 阐明森林生物多样性维持机制和生物多样性变化的效应, 同时对重大生态保护工程的生物多样性保护效果进行有效性监测和验证型监测。     

基因调控网络的模块化组织研究

基因调控网络表现的是大量基因受到转录因子的调控而最终转录翻译为蛋白质进而实现生物功能的复杂信息, 是人们理解生物过程和基因功能的重要内容。为了理解基因调控网络中的调控机理, 网络的拓扑结构及其组织方式是极其重要的研究内容之一。它不仅能说明网络的局部特征, 并且能揭示调控网络的构造方法, 同时还能对调控信号通路进行全面系统的分析。调控网络可分为4层结构: 调控元件、Motif、模块和整个网络。当前, 这种层次结构受到人们越来越多的认可。文中重点讨论motif和模块两层, 比较分析了近年来对网络组织结构的多方面研究内容, 阐述了各个研究结果与结论具有的生物学意义, 并指出了其中存在的问题。在此基础上, 文中还针对这些问题提出了可能存在的研究方向, 并展望了基因调控网络模块化组织的研究前景。     

BTB蛋白泛素化介导植物发育和逆境应答的研究进展

BTB (broad-complex, tramtrack, and bric-à-brac)结构域是在真核生物中发现的高度保守的蛋白质相互作用基序。含有BTB结构域的一类蛋白统称为BTB蛋白,它们广泛参与转录调控、蛋白质降解等过程。越来越多的研究表明,该基因在植物生长发育、生物与非生物胁迫等生理过程中具有重要的作用。本文以蛋白结构域为基础,系统总结了该基因家族蛋白在泛素化介导植物发育和逆境应答等过程中的研究进展,为植物中该类基因的研究提供了参考。     

济南城市绿地生态网络构建

城市绿地为城市生物多样性保护提供了重要的空间保障.改善与提高城市绿地生态网络的连接对保护城市生物多样性具有重要意义.以济南市为例,在GIS技术的支撑下,在考虑不同绿地斑块间的距离与景观阻力的基础上,采用最小路径方法,定量表征与模拟了研究区的潜在生态廊道,并基于重力模型和网络连接度指数,对绿地斑块间相互作用强度与生态网络结构进行了定量分析与评价.研究结果表明,风景林、滨水绿地和公园绿地是组成研究区生态网络的优势景观类型;济南绿地系统规划中的许多斑块在生态网络中起着"踏脚石"的作用,但占规划绿地面积的比例不高;不同绿地斑块间的相互作用强度差异显著,斑块之间相互作用强的绿地廊道在生态网络中的地位突出,对生物物种的丰富度、迁移与扩散等起着重要作用,而斑块之间相互作用弱的廊道景观阻力大,生境适宜性低,必须在未来的绿地系统规划中加以改善;网络结构越复杂,连接度与闭合度水平越高,对物种的迁移与扩散就越有利.因此,增加绿地斑块,优化绿地空间布局,改善绿地斑块间的连接,完善城市绿地网络是新一轮城市绿地系统规划的关键任务.研究结果可为城市建设者与规划者进行城市绿地系统规划提供科学的依据与参考信息.     

3种烟草基因组SSR位点信息分析和标记开发

利用生物信息学方法对绒毛状烟草、林烟草和本塞姆氏烟草3份烟草野生种基因组数据中的SSR位点信息进行了分析。结果表明,在全长分别为2.14Gb、2.44Gb和2.59Gb的绒毛状烟草、林烟草和本塞姆氏烟草基因组中分别获得153 357个、196 493个和278 784个SSR位点,平均相隔13.94kb、12.42kb和9.31kb出现一个SSR。在SSR位点分布区域上,绝大部分的SSR位点分布在内含子和UTR(尤其是5′-UTR)区域;在SSR基序类型上,主要集中在二、三碱基基序且二者占总SSR位点数目的80%以上,并以二碱基基序类型丰度最高;在SSR基序结构上,基因组中出现频率及数量最高的是含有A(T)n的基序结构;在SSR基序的重复次数上,除单碱基基序类型外,重复次数多在3~10次之间。利用分别属于5个不同烟草组的8份烟草材料验证所合成的300对引物,所有合成的引物均能扩增获得目标片段,其中有80对引物存在扩增多态性。表明来源于绒毛状烟草、林烟草和本塞姆氏烟草基因组的SSR标记在亲缘关系相对较近的烟草种间具有高度保守性和通用性,基于此3份烟草野生种基因组数据开发SSR引物用于后续的相关遗传研究具有可行性。     

汉滩病毒G1蛋白胞质区ITAM样基序功能的研究

汉滩病毒(HTNV)的G1蛋白胞质区尾段包含保守的免疫受体酪氨酸活化基序(ITAM)样基序,该基序与许多重要的免疫受体胞质区ITAM基序同源性较高。为了研究HTNV的G1 ITAM样基序的免疫信号转导功能,首先人工合成了一段保守的酪氨酸残基磷酸化的G1 ITAM样基序多肽,应用体外蛋白激酶共沉淀实验,分别从Jur-kat细胞和Raji细胞裂解物中初筛到5~9种与该基序相互作用的磷酸化蛋白或激酶;然后通过突变体分析、体外磷酸化实验和体外激酶共沉淀-免疫印迹分析,进一步确证了G1 ITAM样基序在体外可以与Src家族蛋白酪氨酸激酶(PTK)Lyn、Fyn及其下游Syk家族激酶Syk、ZAP-70相互作用,而这种相互作用依赖于该基序中两个高度保守的酪氨酸残基的存在。上述研究表明,HTNV G1蛋白胞质区包含一个高度保守的功能性ITAM样基序,该基序在体外可以与TCR和BCR信号转导中关键的PTK相互作用,为进一步探讨HTNV G1蛋白ITAM样基序在肾综合征出血热(HFRS)免疫信号传递中的作用奠定了基础。     

巴尔通氏体效应蛋白BepE干扰人源Csk蛋白信号通路的结构与功能分析

巴尔通氏体作为多种人类疾病的病原菌,可分泌多种毒力效应蛋白.其中的7个毒力效应蛋白BepA~BepG由一个Ⅳ型分泌系统VirB注入宿主细胞内,干扰宿主细胞的多种信号传递通路.在这7个效应蛋白中,BepD~F的N端含有特征的EPIYA基序.注入宿主细胞后,这些EPIYA基序上的酪氨酸残基被宿主细胞中的SFK激酶磷酸化,磷酸化后的EPIYA基序可与宿主细胞中含SH2结构域的蛋白结合并干扰宿主细胞的SH2蛋白相关信号通路.在此之前,已经有多种病原菌的效应蛋白被发现含有EPIYA基序,并且通过磷酸化的EPIYA干扰哺乳动物宿主的SH2信号通路.这些毒性效应蛋白除EPIYA基序之外并没有明显的序列同源性.与此相应,在人类蛋白质组中目前只发现了6种含有EPIYA基序的蛋白,这个基序出现的频率显著低于基于随机预测的频率,这可能是在人类进化过程中含有EPIYA基序的蛋白会干扰正常信号通路传导而被淘汰.JAM-A是已报道的6个人体内EPIYA蛋白之一,它存在于人血小板中,可通过招募Csk至血小板来避免血栓的形成.已有的报道证明了BepE可与人源Csk相互作用,通过影响Csk的功能进而干扰一系列信号通路.人源Csk蛋白作为一个可以同时被来自于病原菌毒力蛋白和内源蛋白中磷酸化EPIYA基序识别并结合的分子,为我们研究并对比这两种含EPIYA基序的蛋白质对人类细胞中SH2信号通路的作用提供了一个理想的靶标.本文报道了Csk与BepE及JAM-A2种磷酸化多肽复合物高分辨率晶体结构并分别测定其亲和力.Csk与多肽复合物结构显示,Csk与2种多肽结合方式相似,都是通过SH2结构域与磷酸化酪氨酸结合,多肽链垂直于SH2结构域中的β片层.SPR实验结果显示,来源于巴尔通氏体的BepE比人源JAM-A与Csk亲和力高,这暗示毒力蛋白通过磷酸化的EPIYA基序以高亲和力结合人体内含SH2结构域的蛋白,进而干扰SH2蛋白所涉及的信号通路.     

生物炭对污染物的土壤环境行为影响研究进展

近年来,生物炭已成为农业、生态修复和环境保护领域的研究热点。一般认为,生物炭具有改善土壤质量、增加土壤碳汇、减少大气CO2浓度以及修复污染环境等功能。大量的生物炭施用到土壤后会改变土壤性质,影响重金属和有机污染物在土壤中的环境行为以及它们在环境中的归趋。本文就生物炭对土壤中重金属的吸附-解吸、在土壤中的形态转化、在土壤-植物系统中迁移行为、对有机污染物的吸附挥发及生物有效性进行了概述;在此基础上,扼要分析了当前生物炭应用存在的环境风险等问题,并从生物炭在土壤中的迁移转化及其归趋、生物炭的长期环境效应以及生物炭应用方向等方面进行了展望。     

分子马达生物传感器检测食源性轮状病毒

通过分子马达生物传感器技术建立一种特异、便捷、快速的食源性轮状病毒检测方法.以F0F1-ATPase为核心构建分子马达,以轮状病毒保守片段VP7设计各血清型通用探针,通过生物素-亲和素系统将探针与分子马达连接构建F0F1-ATPase分子马达检测装置.提取病毒RNA并将其与生物传感器结合的同时启动ATP合成,比较其荧光强度的差别,可以对样品中的RNA进行检测.此方法的病毒RNA检测灵敏度为0.005 ng/mL,对轮状病毒检测特异,与甲肝病毒、诺如病毒无交叉反应,在1h内即可完成检测.运用此方法随机检测15份样品,检测结果与RT-PCR一致.结果表明,分子马达生物传感器检测轮状病毒的方法灵敏、特异,可用于食源性轮状病毒的快速检测.