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     

以发育模块重复征用和整合为基础的进化创新机制

进化新征的起源和分化是进化发育生物学研究的核心问题。通过对多细胞生物早期发育调控机制的比较分析,发现亲缘关系较远的生物所共有的一些形态特征受保守的发育调控程序调节（深同源性）。许多创新性状的发生是基于对预先存在的基因或发育调控模块的重复利用和整合。发育基因调控网络在结构和功能上高度模块化,因此不仅可以通过模块拆分和重复征用改变发育程式,而且也增强了调控网络自身的进化力。研究基因调控网络和发育系统的进化动态将有助于更深入地认识生物演化过程中创新性状发生和表型进化的分子机制。     

结合基因表达数据和ChIP-chip数据的酵母转录调控模块的识别

活细胞依赖其众多的转录调控模块来实现复杂的生物功能,识别转录调控模块对深入理解细胞的功能及其转录机制有着重要的意义。本文结合酵母基因表达数据和ChIP-chip数据,提出了一种转录调控模块识别算法。该算法通过采用不同的P值阈值分别得到了核心集和粗糙集,然后对核心集和粗糙集进行判别,最后对基因进行扩展之后得到基因转录调控模块。将该算法运用到两个酵母基因表达数据中,得到了一些具有显著生物学意义的基因转录调控模块。与其它算法相比,该算法不仅可以识别含有较多基因的转录调控模块,而且可以识别一些其它算法不能识别的基因转录调控模块。识别得到的基因转录调控模块有着不同的生物学功能,并且有助于进一步理解酵母的转录调控机制。     

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。     

人工小RNA调控元件在合成生物学中的应用北大核心CSCD

合成生物学通过改造天然系统或创造生物元件、模块和系统赋予生命体新的功能,为农业、能源、制造业及医学进步带来了巨大推动力。对元件、模块或系统的精准、定量及高效调控将对合成生命系统的控制至关重要。细菌小RNA是一类长度在50–300 bp且通常不具备翻译能力的功能小分子,在环境胁迫响应、代谢变化适应和细菌毒力控制过程中发挥着不可替代的调控作用。近年来,基于天然小RNA设计构建的人工小RNA调控元件的工作日益丰富,实现了对目的基因甚至通路的有效抑制或激活。人工小RNA分子小、灵活性高,可程序化且易于设计,几乎不会对宿主细胞造成代谢负担,因此在合成生物学中具备广泛应用前景。为促进对人工小RNA的机理理解及应用拓展,本文围绕若干人工小RNA调控元件进行了系统介绍及比较;此外,总结了其在合成生物学中的代表性应用;最后,对其未来优化方向进行了讨论。     

群体感应系统在合成生物学中的应用*

群体感应(quorum sensing, QS)是一种广泛存在于多种微生物中的胞间通信系统,细菌产生的自诱导物随着种群密度的增加而积累,诱导细菌对种群密度的响应,调节生物膜的形成或特定基因的表达。近年来,随着群体感应系统原理与关键元件的逐渐清晰,应用合成生物学手段进行多技术联合以及多系统间正交性设计具有极大的发展潜力,群体感应系统已成为合成生物学家动态调控胞间通信常用的重要手段之一。在群体感应是细胞-细胞间通信系统的基础上,对多种群体感应系统的联合设计在生物基化学品生产中自动化调控的研究进展进行综述;并针对群体感应系统在生物电化学转化领域实现双向生物信息交流的应用进行总结;同时归纳了医学领域中群体感应系统的动态调控功能与多种疾病诊断及治疗结合的研究进展,讨论了群体感应系统在多细胞通信和实际应用等方面的发展前景。     

合成生物学的医学应用

合成生物学旨在基于工程学原理,通过人工合成生物调控元件、模块和基因调控网络等对细胞进行设计和改造,以实现细胞和生命体的定向演化。在医学研究中,合成生物学主要采用人工设计合成治疗性的基因回路,制备工程化细胞植入体内,纠正机体已发生缺陷的生物调控元件,以达到治疗疾病的目的。本文对合成生物学的兴起、发展及其在医学中的应用和研究进展进行了综述。     

水稻育种行业创新进展

水稻是我国最重要的粮食作物,水稻等主要作物的持续稳定生产对保障我国粮食安全和农业可持续发展具有重大的现实和战略意义。近20年来,水稻分子生物学和分子设计育种方面均取得了一系列的重要研究进展,特别是重要功能基因的发现与利用,随着基因组学、计算生物学、系统生物学、合成生物学等新兴学科的发展,不仅为解析生物复杂性状的遗传调控网络带来了机遇,也为育种技术创新奠定了科学基础。本文简要综述与提高水稻产量有关的功能基因研究进展。     

基于miRNA-mRNA联合分析的卵巢癌调控网络构建

研究表明微小RNA(microRNA,miRNA)通过影响转录后基因表达来调节机体功能,并与肿瘤的发生有密切关系。然而目前癌症致病过程的转录调控网络重构大多致力于转录层面的基因表达数据的处理和分析,如何整合转录及转录后不同类型的生物数据以挖掘它们的共调控机制是目前的研究热点之一。基于此,本研究利用联合非负矩阵分解算法融合卵巢癌miRNA数据和基因表达数据形成共模块,其次对特征模块中miRNA的靶基因进行预测分析,最后对mi RNA-mRNA共模块进行转录及转录后共调控网络构建。仿真结果及分子生物学分析表明,通过联合矩阵分析方法所提取的共模块显示出了与卵巢癌致病具有显著的生物相关性和潜在的联系,此外,GO生物过程分析也进一步的揭示了所提取的共模块中miRNA靶基因的生物学功能与卵巢癌致病密切相关。     

哺乳动物合成生物学在生物医学领域的研究进展

虽然合成生物学还处于早期研究阶段,但最近十年,该领域取得了非常显著的研究进展。合成生物学是以工程学思想为基础,通过人工设计、改造基因线路,从而赋予细胞或生物体新的功能,现已广泛应用于各个领域。随着人们对基因线路设计的深入研究,使得合成生物学研究走向临床应用成为可能。本文将围绕哺乳动物合成生物学在疾病治疗方面的研究进展,介绍基因线路的设计思路和方法、不同诱导因子调控的开环式基因线路以及用于疾病诊疗的闭环式基因环路在生物医学领域的应用。最后对合成生物学走向临床治疗的应用前景和挑战进行展望。     

基于Petri网的基因调控网络建模与分析

如何有效描述与分析复杂的基因调控网络(GRN)是生物学家研究基因表达调控机制的关键步骤.现有大部分方法在建模过程中忽略了生物中广泛存在的协同作用,模型预测结果与实际生物行为之间存在误差.基于混合函数Petri网(HFPN)理论提出了一种对基因调控网络进行定量分析的新方法.首先简要介绍GRN与HFPN的基础理论,然后为HFPN引入两类新元素:逻辑库所与逻辑变迁,描述基因调控网络的逻辑规则以及转录因子间的协同作用,最后构建海胆endo16基因调控网络的Petri网模型,并预测模型在不同位点发生突变时的基因表达水平变化.分析结果与文献实验数据相一致,验证了方法的正确性.     

昆虫microRNA的研究进展

MicroRNA (miRNA)是20世纪90年代发现的一类由内源基因编码的长度约21~24 nt的非编码单链RNA分子, 广泛存在于真核生物中, 对基因的转录后调控起着非常重要的作用。本文简要介绍了miRNA的产生与调控机制, 同时从昆虫miRNA的发现鉴定、 靶基因预测与功能验证, 昆虫miRNA的序列特征与进化, 果蝇和非果蝇类昆虫miRNA生物学功能以及供昆虫miRNA研究的网络平台等方面对昆虫miRNA的最新进展进行了综述, 旨在为进一步研究昆虫miRNA提供借鉴和参考。对昆虫miRNA的研究表明其参与调控细胞分化、 增殖及凋亡、 胚胎发育、 器官发生、 形态构建、 生理代谢、 环境协调、 行为认知、 免疫防御等几乎所有的生物过程。因此, 深入研究其生物功能、 调控网络和开发应用等可能成为今后一段时间昆虫miRNA研究的重要内容。     

生物信息学分析及预测miR-17-92的分子调控网络

miR-17-92是一个高度保守的基因家簇,参与哺乳动物多个器官发育并与多种实体瘤的发生密切相关。运用多个在线数据库,发现了miR-17-92的上游转录因子及下游靶基因间的多个前馈和反馈环路。并对参与miR-17-92调控环路的基因进行功能聚类分析,进而绘制出miR-17-92的核心调控网络图。结果提示miR-17-92与其上游转录因子共调控的靶基因可能参与了生物体的细胞周期调控,迁移、凋亡、激素应答、免疫系统发育等多种生物学过程,KEGG pathway分析提示其还与多种肿瘤 信号通路密切相关。因此,对miR-17-92分子调控网络生物信息学的分析可以有助于理解其在细胞发育和肿瘤发生过程中的作用机制并为后续实验验证提供良好的指导。     

合成生物学在基础生命科学研究中的应用

合成生物学作为一门新兴的交叉学科,吸引了来自生物学、数理科学和工程学等不同学科的研究人员以及产业界的广泛关注和参与。它旨在通过从头创造全新的或改造已有的生物系统,实现天然生物系统不具备的功能与特性。合成生物学研究不仅具有广阔的生物产业应用前景,更为基础科研提供了全新的手段和思路。本文着眼于合成生物学―建物致知‖的理念,跟踪合成生物学研究在回答生命科学基础问题方面取得的相关成果,简述了其在细胞内分子调控网络、细胞生理学、多细胞群体形态与行为以及多物种微生态学等研究中的应用。     

基于有序条件互信息和有限父结点构建基因调控网络

基因调控网络重建是功能基因组研究的基础,有助于理解基因间的调控机理,探索复杂的生命系统及其本质.针对传统贝叶斯方法计算复杂度高、仅能构建小规模基因调控网络,而信息论方法假阳性边较多、且不能推测基因因果定向问题.本文基于有序条件互信息和有限父结点,提出一种快速构建基因调控网络的OCMIPN算法.OCMIPN方法首先采用有序条件互信息构建基因调控相关网络;然后根据基因调控网络拓扑先验知识,限制每个基因结点的父结点数量,利用贝叶斯方法推断出基因调控网络结构,有效降低算法的时间计算复杂度.人工合成网络及真实生物分子网络上仿真实验结果表明:OCMIPN方法不仅能构建出高精度的基因调控网络,且时间计算复杂度较低,其性能优于LASSO、ARACNE、Scan BMA和LBN等现有流行算法.     

生物信息学方法在基因芯片数据功能分析中的应用

基因芯片技术是当前功能基因组研究的重要工具.基因功能分析是将基因表达数据与基因功能或生物学通路相联系,寻找有意义的变化基因.本文介绍了GO分类法、信号通路和生物调控网络等常用的基因功能分析方法和工具.     

长链非编码RNA在哺乳动物精子发生中的功能研究进展

长链非编码RNA(lncRNA)一般是指大于200 nt的RNA,位于细胞核内或胞浆中,不参与蛋白质编码,以RNA形式在表观遗传调控、转录调控以及转录后调控等多个层面上调控基因的表达水平。哺乳动物精子发生是一个精细调控的过程,通过雄性生殖细胞分裂和分化形成成熟精子,且精子发生受到不同阶段特异性基因表达的严格调控,而特异性基因表达又受到大量lncRNAs的调控。虽然lncRNA作为一类重要的基因表达调控因子广泛参与各类生物个体发育进程和疾病的发生,但是精子发生相关lncRNAs的报道并不多,且其生物学功能的研究有待进一步深入。因此,本文对lncRNA的起源、作用机制和在精子发生过程中调控作用的研究进展进行了总结分析。     

基于熵值的尿路感染疾病基因网络的模块划分与生物学机制分析

尿路感染的病因比较复杂、且治愈后容易复发,因此,治疗尿路感染疾病已经在人们日常生活中成为了一大难题。本研究通过从Pubmed数据库获取与尿路感染疾病相关的基因共59个,然后运用String数据库建立尿路感染疾病的基因网络(有54个节点和337条边),进而利用MCODE cluster、MCL cluster和Community cluster (glay) 3种常见的模块划分方法对尿路感染疾病基因网络进行模块识别,通过网络结构熵值进行评价,发现MCODE cluster方法划分出4个模块,网络熵值为3.179 4,在几种方法中熵值最小,最适于尿路感染疾病基因网络模块的识别。运用DAVID对尿路感染疾病的基因网络和MCODE cluster划分出的模块进行功能富集分析,分别得到了38和32条KEGG信号通路,且有70.7%的覆盖率,说明了MCODE的模块识别方法可以识别出疾病基因网络中与疾病生物学功能关系较为密切的基因,并可以找出可以代表该基因网络大部分生物学功能的模块网络。这为后期研究"药物-靶点-疾病"间关联提供了一种可行方案。     

调控进化与形态多样性

揭示导致生物体形态和结构多样性产生的原因和机制, 是进化生物学研究的重要内容。进化发育生物学的研究表明, 许多复杂的形态结构及其多样性, 都是通过对古老调控网络的修饰或改造来完成的。也就是说, 生物体形态和结构的多样化并不是像以前认为的是由基因编码区的变化造成的, 而更多的是取决于基因的调控进化。作为控制基因表达的关键组分, 基因调控区的顺式调控元件通过与特定反式作用因子结合, 精细调控基因表达的时、空和量。因此, 调控元件的获得、丢失、修饰或者改变都能引起基因表达模式的变化, 是形态和结构多样性产生的主要原因。本文结合近年来国际上在基因的调控进化方面所取得的进展, 总结了真核生物中基因调控的方式和特点, 阐述了调控进化的基本式样, 揭示了调控进化在生物进化(特别是形态和结构多样化)中的作用。     

钟基因clock功能的研究进展

近日节律(circadian rhythm)是指周期约为24小时的生物节律。作为一种内源性的生物计时系统,它调节动物的行为、生理和代谢等多个过程,从而使其适应昼夜环境变化。哺乳动物近日节律受包括CLOCK在内的多个分子组成的反馈环路调控,自身维持节律性震荡并受外界环境光和非光授时信号导引,最终输出信号调节生物学过程。本文简要综述了小鼠核心钟基因clock功能的研究进展。