四膜虫功能基因组数据库增量更新2016:生活史和减数分裂转录组及磷酸化蛋白组资源建设

原生动物嗜热四膜虫是一种优良单细胞真核模式生物,以其作为研究对象在基础生物学领域的研究已经取得了一系列突破性的成果。2006年,其大核基因组测序完成并发表,标志着四膜虫的研究进入了功能基因组时代。2013年基于基因芯片、基因网络和转录组数据,我们构建了四膜虫功能基因组数据库,其目前已成为模式生物嗜热四膜虫研究的两个重要数据库之一。在过去几年里,随着对四膜虫功能基因组学研究的深入,相关组学数据也实现了一定积累,对这些数据的整合也非常迫切。基于此,我们对四膜虫功能基因组数据库进行了增量更新。更新内容主要包括三个方面:(1)四膜虫生活史不同时期转录组数据;(2)四膜虫接合生殖减数分裂过程转录组数据;(3)磷酸化蛋白组数据。此次增量更新进一步提升和完善了四膜虫功能基因组数据库的内容和功能,对以四膜虫为对象的相关研究工作具有重要作用。     

嗜热四膜虫可变剪接基因鉴定及功能分析

可变剪接是产生蛋白质组多样性和调节基因表达的重要机制,相关研究在高等真核生物中开展较多,而在单细胞真核生物中则较少,尤其是单细胞原生动物纤毛虫中,仅有少量报道。本文基于单细胞模式原生动物嗜热四膜虫种大量转录组数据,对其可变剪接基因进行了鉴定及分析。在嗜热四膜虫中共鉴定到2 894个可变剪接位点,涉及到2 698个可变剪接基因,可分为四类。考虑到转录本拼接的准确性,选择了其中464个与基因组预测模型完全一致的可变剪接基因进行深入分析,其中生长(growth)时期、饥饿(starvation)时期、接合生殖(conjugation)时期特异性的可变剪接基因分别为49个、79个和135个。对可变剪接基因的功能进行分析表明其涉及的功能广泛且显著富集于蛋白激酶过程,提示可变剪接基因在嗜热四膜虫蛋白磷酸化和信号传导中具有重要作用。     

原生动物四膜虫“小材”有“大用”

在概述了原生动物四膜虫的基本知识和回顾了四膜虫在分子生物学领域的重要贡献的基础上,介绍了利用该单细胞真核模式生物所开展的四膜虫功能基因组学、毒理基因组学、进化基因组学和表观基因组学等方面的研究工作,并展望了四膜虫作为普通生物学实验进入中学和大学课堂的应用前景。     

西藏温泉两种中国新记录纤毛虫第一双小核草履虫和明布雷斯四膜虫的形态学和系统发育学研究

研究利用活体观察、蛋白银和氨银染色技术对采自西藏温泉的寡膜纲咽膜类纤毛虫第一双小核草履虫(Paramecium primaurelia)和膜口类纤毛虫明布雷斯四膜虫(Tetrahymena mimbres)进行了形态学研究, 首次描述了这两种纤毛虫细胞核器的形态和位置、纤毛图式和口膜的排布模式; 并且测定了SSU rDNA和COXⅠ标记基因序列, 基于这两种基因的系统发育树均支持P. primaurelia聚在草履虫P. aurelia复合种中, T. mimbres聚在四膜虫T. borealis类群中。两种纤毛虫均为中国新记录种, 且首次在高原温泉中发现, 不仅为西藏地区温泉原生动物生物资源的发掘提供新的方法和思路, 也为原生动物环境适应性研究提供基础资料。     

基因表达系列分析技术在真菌功能基因组学中的应用

基因表达系列分析( SAGE)是一种在mRNA水平上高通量、快速、灵敏分析细胞或组织基因表达信息,并在基因组学研究中广泛应用的技术.该技术不仅能够全面地分析特定组织或细胞表达的基因,比较不同时空条件下基因表达的差异,还可以在全基因组范围内获得基因的表达谱,从而发现新基因.综述基因表达系列分析技术在材料用量、标签长度、技术流程和标签测序等方面的研究进展及该技术在病原真菌、工业真菌和食用真菌功能基因组学中的应用.     

嗜热四膜虫减数分裂研究进展

减数分裂是真核生物有性生殖过程的关键步骤,染色体的行为变化贯穿整个减数分裂的过程。近些年来,借助先进的分子生物学技术和细胞学实验手段,通过对突变细胞株的筛选和评价,单细胞真核模式生物原生动物嗜热四膜虫(Tetrahymena thermophila)减数分裂方面的研究取得了长足的进展。本文主要介绍嗜热四膜虫减数分裂的过程,以及在此过程中伴随染色体行为变化的相关基因的功能,从而为进一步探讨嗜热四膜虫减数分裂的分子机制提供有效信息。     

嗜热四膜虫SPO11基因缺陷型细胞株的基因表达变化分析

有性生殖的关键过程是通过减数分裂产生生殖细胞,而减数分裂的一个重要环节是进行基于DNA双链断裂的同源染色体重组。在同源染色体重组过程中,SPO11蛋白催化产生DNA双链断裂,从而起始同源染色体的重组。因此,研究SPO11基因缺失在减数分裂过程中所引起的基因表达变化有助于在转录组水平上了解该基因的作用。本研究通过对嗜热四膜虫(Tetrahymena thermophila)野生型和SPO11敲除细胞株在接合生殖时期2 h、3 h、4 h、5 h四个时间点的转录组进行高通量测序。通过差异表达基因分析和功能富集分析,发现SPO11基因敲除之后嗜热四膜虫在接合生殖时期2 h时,与DNA代谢过程和DNA复制相关基因的表达发生变化,推测SPO11基因敲除导致的减数分裂过程异常可能与DNA代谢过程和DNA复制相关。     

嗜热四膜虫有性后代的分离纯化

在实验条件下诱导四膜虫种群交配进行有性生殖时,交配后的种群中除有性后代外,还会混杂一定比例的亲本细胞,而高纯度的有性后代是研究四膜虫一些基本生物学问题的重要基础。本研究利用四膜虫交配时不能摄食并且新产生的有性后代几小时后才恢复摄食能力的特性,以嗜热四膜虫(Tetrahymenathermophila)交配种群为对象,在其有性生殖阶段后期向交配体系中加入Fe3O4磁性纳米颗粒,未交配的亲本细胞由于能够摄入磁性颗粒而具有磁性;再利用有性后代和未交配细胞的磁性差异,在磁场作用下将有性后代分离纯化出来。通过优化过柱分离的时间点、分离柱的口径、分离柱中铁粉/石英粉的质量等分离条件,有性后代的分离纯度及收率均能达到98%以上。该分离方法亦可为其他种四膜虫或纤毛虫有性后代的分离纯化提供借鉴。     

面向药物发现和精准医疗的基因表达谱分析

作为功能基因组学中重要的组成部分,基因表达谱在生物学、医学和药物研发等多个领域发挥着重要作用.特别是随着精准医疗概念的提出,整合多组学数据用于个性化医疗是未来的发展趋势.本文从基因表达谱的基本概念出发,重点介绍面向药物发现的基因表达谱分析方法,即基于关联图谱的方法、基于基因调控网络的方法和基于多组学数据整合的方法.系统整理了各种方法的研究进展,特别是在抗癌药物研发领域的最新进展,为利用基因表达谱数据进行药物研发提供方法借鉴.     

四膜虫eRF1识别终止密码子的功能结构域

原生动物的一些纤毛虫中终止密码子发生重分配现象,将1个或2个终止密码子翻译为氨基酸.目前对这一现象的发生机制仍无合理解释．近年来,对蛋白质合成终止过程中肽链释放因子(eukaryotic polypeptide release factor, eRF)结构和功能的深入研究,为揭示终止密码子的重分配机制提供了重要的线索．本实验以具有终止密码子识别特异性的四膜虫Tt-eRF1为研究对象,将其中与密码子识别有关的GTx、NIKS和Y-C-F关键模体(motif) 引入识别通用终止密码子的酵母Sc=eRF1中,构建成各种嵌合体eRF1．利用双荧光素酶报告系统和细胞活性实验,分析关键模体及其周边的氨基酸对eRF1识别终止密码子性质的影响．结果表明,GTx和NIKS模体一定程度上决定eRF1识别终止密码子第1位碱基U和第2位碱基A;Y-C-F模体决定eRF1识别终止密码子UGA的第2位碱基G．模体内及其相邻氨基酸定点突变分析进一步支持以上结果．本研究推测,eRF1在进化过程中一些关键模体结构的改变决定其识别终止密码子的特异性,只能识别3个终止密码子中的1个或2个．随后,由于tRNA基因的突变产生阻抑性tRNA,促成终止密码子在原生动物纤毛虫中的重新分配．     

基于Web的水稻芯片数据注释和分析平台

国际水稻基因组测序计划(IEGSP)顺利完成, 水稻基因的研究也进入了后基因组研究阶段. 水稻基因芯片数据注释分析是一项重要的功能基因组学研究内容, 它为理解水稻基因的生物学意义提供了帮助. 本研究开发了一个基于Web的水稻基因芯片数据注释和分析平台(RiceChip), 它比同类的注释数据库更加全面快捷. 本平台共由5个功能模块组成: BioChip模块为水稻基因表达数据提供快速检索和高级检索, 可依次按照Probe Set ID, Locus ID, Analysis Name等字段进行检索; BioAnno模块整合多个生物学数据库, 为水稻基因提供基因功能、蛋白质结构、生物代谢途径以及转录调控等方面的注释信息; BioSeq模块则收集水稻基因组的序列信息, 支持对水稻基因与芯片探针的序列查询; BioView模块是系统图形可视化的核心模块, 提供友好的访问界面与结果输出, 方便研究人员使用; BioAnaly模块结合R/Bioconductor统计分析工具提供高通量芯片数据的在线分析. 本系统从不同的方面依次提供了数据检索、基因注释、序列分析、数据可视化和数据分析等功能, 其数据收集的全面性与功能分析的强大性在同类水稻基因芯片数据注释和分析平台中都较突出.     

嗜热四膜虫δ微管蛋白基因的克隆、鉴定及细胞定位

微管蛋白(tubulin)在细胞的结构和功能中发挥着重要作用, α微管蛋白和 β微管蛋白是组成微管的主要因子,γ微管蛋白促使α和β微管蛋白二聚体组装为微管结构. 然而, 4种新的微管蛋白δ-,ε-,ζ-, 和η- tubulin在细胞中的功能并不完全清楚. 本研究从嗜热四膜虫大核基因组数据库中鉴定了一种新的编码δ微管蛋白基因（Tetrahymena delta tubulin 1, TDT1, TTHERM_00335970, http://www. ciliate. org）, TDT1基因转录产生1 326 bp和 1 363 bp两种不同的转录本, 1 326 bp的转录本编码441个氨基酸的多肽; 而1 363 bp的转录本含有37 bp未剪切的内含子序列, 从而导致开发读框发生移码突变现象. 实时荧光定量PCR结果表明, TDT1基因在四膜虫细胞营养生长和有性生殖过程中都有表达, 且在有性生殖过程中的表达显著上调. 免疫荧光定位表明, TDT1蛋白不仅定位于四膜虫基体和有性生殖期conjugation junction结构, 而且在四膜虫的大核和小核中也有定位. TDT1基因敲除发现,该基因不能通过表型分配完全被巴龙霉素抗性基因替代, 结果表明, TDT1蛋白在四膜虫细胞中可能具有多种不同的功能, 它的正常表达对四膜虫细胞的生存是必需的.     

GEO-基因表达综合数据库的应用与数据挖掘

高通量微阵列杂交技术和测序技术的快速发展,产生了大量的基因数据,生物信息迅速膨胀成为数据的海洋。为适应这种高通量基因表达数据的不断增长和人们共享数据的需要,各种数据库应用而生,其中,NCBI（national center for biotechnology information）的基因表达综合数据库（gene expression omnibus,GEO）是世界上最大的储存高通量分子丰度数据的公共数据库,用户可以提交、储存和检索多种形式的数据并免费使用。迄今为止,GEO已收录了300000个样本的数据,涉及16亿个基因表达丰度数据,涵盖500多种生物体,广泛覆盖各种生物学内容。GEO数据库操作简单,数据全面,免费共享的优势为后期数据挖掘和信息推广提供了良好的平台。文章概述了GEO数据库的结构、数据的提交、检索和其在分子生物学领域中的应用前景。登陆GEO数据库的网址为：http：／／www．ncbi．nlm．nih．gov／geo。     

三种四膜虫全基因组N6-甲基腺嘌呤比较研究

为了揭示N6-甲基腺嘌呤(6mA)在近缘物种间的分布规律和物种进化过程中的变化, 研究在分离2种四膜虫(Tetrahymena malaccensis和Tetrahymena pyriformi)大核的基础上, 利用三代测序技术绘制了其全基因组单碱基分辨率6mA图谱, 结合公共数据库中已有的模式种Tetrahymena thermophila数据, 开展了3种四膜虫比较6mA甲基化组分析, 发现: (1)3种四膜虫6mA甲基化位点分布特征类似, 包括呈约200 bp周期性分布和具有保守AT基序; (2)6mA主要分布于基因的5′端, 在种间直系同源基因上的分布模式具有区域近似性, 但在单碱基水平不完全保守; (3)在种内近期复制的并系同源基因中, 6mA分布在单碱基水平具有较高的保守性; (4)结合3种四膜虫的分化时间, 估算出了四膜虫中6mA动态变化过程, 6mA位点建立的速度大约为每Mb每百万年69.9—226个位点。     

四膜虫大核基质中含有NuMA类似蛋白

NuMA (Nuclear mitotic apparatus protein)是细胞核基质中的一种高分子量蛋白质,具有一个特殊的细胞周期依赖性(cell cycle- dependent distribution)。在多细胞动物中有关NuMA的研究已经很深入,但是目前尚未见原生动物中NuMA蛋白的报道。四膜虫(Tetrahymena)是一种单细胞真核生物,属原生动物(Protozoa)纤毛虫纲(Ciliata),具有较特殊的分类地位和分子生物学研究背景。本实验结果表明,四膜虫大核基质中含有NuMA类似蛋白,不仅进一步验证了NuMA蛋白存在的普遍性,而且是对四膜虫中大核基质成分研究的补充。     

四膜虫rDNA表达载体的改造及用于异源基因的高效表达

基于四膜虫小核rDNA改造得到的pD5H8载体,在转染进接合生殖时期的四膜虫后能发育成9000~10000拷贝的大核rDNA,因此pD5H8载体是四膜虫异源基因表达的研究热点;但其载体上匮乏合适的克隆位点和无启动子结构阻碍了该载体的进一步发展。本研究在四膜虫启动子HSP70-2和终止子HSP70-1之间,通过稀有酶切位点I-Sc e玉导入细菌绿色荧光蛋白(HGFP)这一筛选标记,由此组成的DNA片段(HSP70-25' UTR-I-Sce玉-HGFP-I-Sce玉-HSP70-13' UTR)整合进pD5H8,将之改造成pD5H8-HGFP表达载体。来自真核生物的绿色荧光蛋白(GFP)藉由I-Sc e玉酶切位点一步导入pD5H8-HGFP表达载体后,在四膜虫中大量表达且具有生物学活性。因此,改造后的pD5H8-HGFP表达载体拥有一步法引入异源基因,几乎无酶切位点的限制,有效的筛选标记,高效的异源基因表达能力,以及环境友好、便捷可控等诸多优点,这对于深入开展四膜虫基因功能的过表达研究和开发异源基因在四膜虫这一真核表达系统中的应用奠定了技术基础。     

四膜虫—分子生物学研究的理想材料

四膜虫(Tetrahymena)与人们熟悉的草履虫一样,都是单细胞的原生动物,属纤毛虫纲,一般长50μm,宽30μm。细胞前端略细,后端变宽呈梨形,表面有15-25条毛带。口位于细胞的前端,内有三个小膜,口的边缘有一个波动膜,故称四膜虫。     

用于基因数据挖掘的基因表达数据库GEO

使用高通量方法学来检测基因表达情况在最近几年已非常普遍。微集芯片技术可同时定量成千上万的基因转录本。基因表达综合数据库（Gene Expression Omnibus 简称GEO）是目前最大的而且完全公开的高通量分子丰度数据库,主要储存基因表达数据。该数据库以一个灵活开放的设计理念,允许用户或科研人员来递呈,保存和检索多种不同类型的数据。本文综合描述一下近年来该数据库在基因表达数据挖掘中的应用,同时介绍一些通过使用用户友好网络界面能有效探索、查询和再现数百个实验和数百万个基因表达谱的工具,以方便数据进行挖掘和可视化。登录GEO公用数据库的网址为：http://www.ncbi.nlm.nih.gov/geo.     

应用 PPIN分析肝移植临床耐受患者PBMC基因表达特点

应用生物信息学方法分析肝移植临床耐受患者PBMC基因表达特征,筛选临床耐受关键基因。从GEO数据库获取19个肝移植临床耐受病例及22个非临床耐受病例基因表达谱数据。应用DAVID网络软件进行差异基因功能注释与聚类分析;通过Cytoscape软件的MiMI插件构建蛋白质相互作用网络(PPIN)筛选肝移植临床耐受关键基因。差异基因涉及蛋白质及RNA代谢、免疫应答、膜结构调节等复杂生物过程。PPIN网络分析获得10个临床耐受核心基因。我们的研究表明:肝移植临床耐受涉及外周血免疫细胞复杂的基因表达调控机制及蛋白质间相互作用;RNA的转录后加工及蛋白质降解在免疫耐受的形成中发挥了重要作用;RBM8A、DHX9、CBL、IKBKB、CSNK2A1、HSPA8等核心基因发挥重要的免疫调节功能。