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。     

分子系统生物学与细胞发生动力学

系统生物学采用系统理论和实验生物技术、计算机数学模型等方法整合研究动态生物系统网络.生物系统的结构理论和生物系统技术,研究基因组——生物体复杂系统与细胞分子网络系统的动态结构发生与进化,分析基因组的逻辑程序和人工设计原理.细胞信号传导、基因调控网络、代谢反应链和基因反馈调控的自组织化人工设计和基因、基因链、基因组人工合成等系统生物工程开发,可用于复杂疾病机理分析、药物分子筛选和转基因表达系统的生物反应器、纳米生物计算机等.     

基因编码型生物传感器在微生物细胞工厂中的应用进展

合成生物学的迅猛发展推动了微生物细胞工厂中多种复杂化学品的生物合成,但仍存在产量低、生产效率不高等诸多问题。基因编码型生物传感器可以感知细胞内外代谢物浓度及外界环境的波动,产生可测量的信号输出或调控通路中的基因表达水平,具有成本低、操作简单、可再生等优点。目前,基因编码型生物传感器已经成为合成生物学和代谢工程的重要组成部分,是微生物细胞工厂中代谢动态调控及理想表型进化/筛选的强大工具。概述了基因编码型生物传感器的组成及工作原理,重点介绍了基因编码型生物传感器在微生物代谢动态调控及高通量筛选中的最新研究进展,就基因编码型生物传感器设计与构建过程中面临的挑战进行探讨,并展望了其今后的发展方向。     

基因的推理设计与改造—体外分子进化的捷径

体外分子进化是改造基因、获得新的功能蛋白质重要手段之一,已经取得了令人瞩目的成就。推理设计是利用序列和结构的比较信息创造新的基因和蛋白质,是研究改造蛋白质功能的有效方法。文章着重介绍了基因推理设计在基因体外分子进化中的应用,从简单实用的基因密码偏爱设计,结合多个不同性状相关功能基因信息的基因推理设计,关键功能区域的简并引物设计,位点直接蛋白质重组4个方面进行描述,并综述了该方法近年来的应用。     

基因枪在植物遗传转化上的应用

把外源基因转入细胞的技术对于基因功能的研究和作物品种的遗传改良具有重要意义。随着分子遗传学、细胞生物学等基础学科及DNA重组和基因转移技术的迅猛发展,人们最终将能对进化上较为复杂的真核生物的遗传性 状进行有效的控制。     

昆虫钟基因研究进展

昆虫进化形成了内在的生物钟机制以协调行为、生理及代谢节律与外部环境信号同步,从而更有效地利用资源并获得适应性优势。行为、生理及代谢昼夜调控的协调对于昆虫有效应对可预见的生理上的挑战至关重要。生化过程和代谢变化与外部环境的昼夜节律同步性受基因表达的控制,钟基因在昆虫的重要生理过程如中枢及外围生物钟机制、光周期信号传导、光周期介导的外围组织调控、代谢以及免疫中发挥着重要作用。根据信号转导过程中的作用,昆虫钟基因分为3类——信号输入基因、信号震荡起搏器和信号输出基因,它们通过相互作用形成了复杂的转录-翻译反馈回路并参与调控昆虫昼夜节律和光周期事件。本文针对昆虫钟基因的鉴定、分类和功能,作用分子机制以及研究方法和挑战等方面作了总结,并展望了昆虫钟基因未来的研究方向,这将为昆虫钟基因的进一步功能研究及开发利用提供信息参考。     

比较基因组学及其应用

比较基因组学是利用某些基因组图谱和测序获得的信息推测其他生物基因组的基因数目、位置、功能、表达机制和物种进化的学科。比较基因组学的发展与序列数据的积累密切相关,目前该学科已经成为研究生物基因组的最主要手段之一。利用FASTA、BLAST和CLUSTAL W等序列比对工具,种间的比较基因组学能够让人们了解物种间在基因组结构上的差异,发现基因的功能、物种的进化关系,以及进行功能基因的克隆。种内的比较基因组学研究主要涉及个体或群体基因组内诸如SNP、CNP等变异和多态现象。比较基因组学的研究结果不但有助于深入了解生命体的遗传机制,也有助于阐明人类复杂疾病的致病机制,揭示生命的本质规律。     

合成生物学技术在材料科学中的应用

材料是人类赖以生存与发展的物质基础,科技和社会的进步都离不开材料技术的发展,未来先进材料的合成和制备必然朝着绿色可持续、低耗高产出、精细可调控、高效多功能的方向发展。以"基因调控·工程设计"为核心的合成生物学技术从分子、细胞层面极大地推动了生命科学的发展,也已经并继续为材料科学的发展注入新的思路和活力。本文将围绕合成生物学技术在材料科学中的应用,以基因回路设计为核心,概念应用为线索,重点介绍合成生物学技术在高分子生物材料和无机纳米材料领域的开发和生产,细胞展示和蛋白定向进化战略对分子材料的筛选和优化,"活体"功能材料、工程菌调节的人工光合系统功能材料体系以及基因回路在材料科学中的应用。     

与中国现代人起源问题有联系的分子生物学研究成果的讨论

本文简略介绍最近几年发表的与中国现代人起源有直接和间接关系的几篇分子生物学论文,结合中国的人类化石、旧石器、古哺乳动物学和亚洲西部的旧石器以及分子生物学研究的新资料,论证根据Y染色体一些基因的分析认为中国的古老人类被来自非洲的现代人完全替代的推论不能成立。古人类学的研究已经显示人类进化是十分复杂的过程,新的分子生物学论文也显示人类的分子进化比过去认识的远为复杂。在对新信息进行解释和推论时必须对这样的复杂性保持深刻清醒的认识,人类进化不可能既是这样又是那样,只有将各个有关学科得来的信息进行综合思考才可望使得根据这些信息得出的推论趋于协调,对人类进化的认识逐渐接近真实。     

植物抗病分子机制研究进展

植物抗病机制是目前研究的热点。在长期的进化过程中,植物形成了一系列复杂有效的防御机制来抵御、破坏病原物的侵染。植物抗病基因在植物抗性反应中起着重要的作用,植物一旦监测到病原物马上起始防御反应,并伴随着植物体内一系列细胞和生理生化的变化。近年来,基因沉默作为一个重要的细胞内防御外源核酸的机制,越来越受到科学家重视。综述了植物抗病基因和基因沉默机制在植物抗病反应中的重要作用,并对研究植物抗病机制的前景做了展望。     

基因及其顺式调控元件在动物表型进化中的作用

顺式调控假说是当前进化发育生物学中重要的理论之一, 该假说认为顺式调控元件的进化是调控外表性状进化的主要遗传机制。然而越来越多的实验结果表明, 仅靠顺式调控假说远不足以解释复杂的进化发育过程, 其他因素也会导致表型的进化, 如：与顺式调控元件相联基因的蛋白序列改变; 基因及染色体组复制; 蛋白结构域与顺式调控元件的灵活性等。文章回顾了近年来顺式调控元件以及与顺式调控元件相联基因的进化发育研究, 探讨了进化发育生物学研究的新方法与新思路。     

大豆蛋白编码基因起源与进化

物种基因组成是一个高度动态的进化过程, 其中相对较近起源的种系和物种特异性基因会持续整合到包含古老基因的原始基因网络中。新基因在塑造基因组结构中发挥重要作用, 能提高物种适应性。基因复制和新基因的从头起源是产生新基因及改变基因家族大小的2种方式。目前, 大豆(Glycine max)基因起源时间与进化模式的相互联系很大程度上还未被探索。该研究选择19种具有代表性的被子植物基因组, 分析基因含量动态性与大豆基因起源之间的潜在联系。采用基因出现法, 研究显示约58.7%的大豆基因能追溯到大约1.5亿年前, 同时有21.7%的基因为最近起源的orphan基因。研究结果表明, 与新基因相比, 古老基因受到更强的负选择压并且更加保守。此外, 古老基因的表达水平更高且更可能发生选择性剪切。此外, 具有不同拷贝数的基因在上述特征中也具有明显差异。研究结果有助于认识不同年龄基因的进化模式。     

大豆蛋白编码基因起源与进化

物种基因组成是一个高度动态的进化过程, 其中相对较近起源的种系和物种特异性基因会持续整合到包含古老基因的原始基因网络中。新基因在塑造基因组结构中发挥重要作用, 能提高物种适应性。基因复制和新基因的从头起源是产生新基因及改变基因家族大小的2种方式。目前, 大豆(Glycine max)基因起源时间与进化模式的相互联系很大程度上还未被探索。该研究选择19种具有代表性的被子植物基因组, 分析基因含量动态性与大豆基因起源之间的潜在联系。采用基因出现法, 研究显示约58.7%的大豆基因能追溯到大约1.5亿年前, 同时有21.7%的基因为最近起源的orphan基因。研究结果表明, 与新基因相比, 古老基因受到更强的负选择压并且更加保守。此外, 古老基因的表达水平更高且更可能发生选择性剪切。此外, 具有不同拷贝数的基因在上述特征中也具有明显差异。研究结果有助于认识不同年龄基因的进化模式。     

叶绿体基因infA-rpl36区域在小麦族物种中的序列变异分析

利用小麦叶绿体基因组中infA-rpl36区域的序列设计引物, 对小麦族(Triticeae)的12个二倍体和多倍体的物种进行了PCR扩增和序列测定, 获得了长度为584～603 bp的12条DNA序列。序列分析表明, 供试物种在infA-rpl36基因间隔区的核苷酸变异明显高于基因编码区。基因编码区核苷酸序列同源性高达97%, 表明了目标片段具有高度的保守性。但在5个物种的infA编码区出现了较大的插入、缺失突变, 导致推导的氨基酸序列也发生了很大的变化, 证实了infA基因是叶绿体基因组中最活跃的基因之一, 而rpl36基因的变异较小, 说明不同叶绿体基因的进化速度是不同的。基于测定序列建立的种系树分析发现, 多倍体物种中间偃麦草(Thinopyrum intermedium)具有多种不同的细胞质起源, 与核基因组一样在进化上较为复杂。     

核糖核酸酶基因超家族分子进化

核糖核酸酶基因(Ribonuclease A, RNASE A)超家族是进化生物学中研究新基因起源及新功能演变的重要模式系统之一。RNASE A超家族中的很多成员表现出基因复制的进化模式, 而且在适应性(正)选择的驱动下, 发生了功能分化。文章综述了RNASE A超家族成员在不同动物类群中进化模式的研究进展, 包括近年来越来越多在基因组水平上开展的相关研究, 显示该基因超家族可能具有比人们以往认识的更为复杂的基因进化模式。随着越来越多动物基因组数据的产生, 对更多动物代表类群进行RNASE A超家族研究, 将有望揭示新的进化机制和功能分化, 为系统认识动物适应进化的遗传机制奠定基础。     

猪流感病毒进化方式及其流行特点

摘要：猪在甲型流感病毒生态分布和遗传进化中占有重要地位。猪的呼吸道上皮同时具有禽和人流感病毒2种类型的受体,因此人和禽流感病毒都可以感染猪,猪被认为是禽、人流感病毒的中间宿主和不同来源流感病毒的基因“混合器”。猪流感病毒（Swine influenza virus, SIV）的进化方式包括基因重配、抗原漂移和宿主适应性进化,其中基因重配是主要进化方式。与人类季节性流感病毒相比,SIV在全球的流行情况各不相同,呈地方流行性,并具有明显的地区差异。全球范围内流行的SIV亚型主要有3种：H1N1、H3N2和H1N2亚型,其中各亚型内病毒基因来源又不尽相同。欧洲、北美及我国猪群中流行的流感病毒在遗传进化和基因来源方面各具特色。目前欧洲猪群中流行的主要是类禽H1N1、H1N2和H3N2病毒,其中后两者是基因重配病毒。从1998年开始,古典猪H1N1、“人-猪-禽”三源基因重配H3N2、H1N1和H1N2病毒共存于北美的猪群中,其遗传变异日趋复杂。在基因进化上,欧洲和北美基因重配的SIV是目前新的人类大流感病毒-“甲型H1N1病毒”-的母源病毒。我国猪群中流感病毒主要是古典猪H1N1和类人H3N2病毒,但近年来在我国猪群中分离到遗传上与欧洲和北美SIV高度相关的病毒,提示我国SIV的进化趋势值得关注。1970年代以来,全球已报道了50多起人感染SIV事件,表明SIV也是一种值得重视的人兽共患病,预示了SIV可能成为人类大流感毒株或为大流感毒株提供基因。鉴于SIV在甲型流感病毒生态学上的重要意义,以及对人类公共卫生的潜在威胁,建议应尽早启动我国SIV的常规监测工作,密切关注SIV的流行动态,掌握其分子遗传进化规律。同时,将SIV的监测工作纳入整个流感病毒（人和动物流感病毒）的监测网络,在信息上实现共享,从生态学的高度把握我国流感病毒的流行和进化趋势,这对保护动物健康和预防人类大流感都有重要意义。     

丝孢真菌无性与有性进化分析

绝大多数丝孢真菌属、种主要以无性型存在,但该类真菌绝大多数属、种含有若干调控有性分化、发育及进化的基因信息,如交配型、信息素及G-蛋白α-亚基基因等,胁迫环境诱导这些真菌有性基因有效表达乃至发育为有性型,一直倍受真菌学界的关注。文中系统介绍了丝孢真菌无性型与有性型属种分类研究现状、进化分析及性别调控基因,1)分析属、种三类有性基因的多样性、异型交配基因比率、系统发育关系及有性进化潜力与趋势;2)分析属、种不同有性基因调控特性胁迫环境适应性,界定靶标基因及适宜生态因子,结合地球生境演化特性,预测属、种自然演化性别变化动态;3)分析靶标基因调控生态,阐明两性种有性基因调控生态遗传机制。综上有望解析绝大多数丝孢真菌属、种主要为无性型的本质原因,丰富丝孢真菌分类研究的理论,为真菌分类研究提供科学依据。     

人类基因组中巢式基因对的系统分析

基因组上一个基因的所有或大部分外显子位于另一基因内含子和UTR中被称为巢式基因(Nested gene)。巢式基因对(Nested gene pair)是由主基因(Host gene)和巢式基因组成的基因对。文章针对人类基因组上的顺式巢式基因对(简称为巢式基因对)进行全基因组鉴定,并通过比较巢式基因对在人和小鼠基因组上的保守性分布,研究巢式基因对的进化方式。保守性分析表明基因转座、序列原位突变和主基因转录起始/终止位点突变是巢式基因对进化的主要原因,其中主基因转录起始/终止位点突变是巢式基因对独特的一种进化方式。Gene On-tology分析揭示大部分巢式基因与主基因的产物在功能上没有相关性。     

线粒体Cyt b基因与昆虫分子系统学研究

细胞色素b(cytochrorrle b,Cyt b)是线粒体13个蛋白质编码基因中结构和功能被研究得最为清楚的基因之一,该基因的进化速度适中,适合研究种内到种间甚至科间的系统发育关系,研究内容涉及种及种下阶元的分类鉴定、种上阶元的系统发育分析、种群的遗传变异和进化研究、分子进化研究等方面,本文对Cyt b基因的分子特点及其在昆虫系统学研究中的应用进行综述。     

新基因起源：从自然进化到人工设计

生命体系历经40多亿年的自然进化,创造了无数丰富多彩的功能基因,保障了生命体系的传承与繁荣。然而生命体系的自然进化历程极其缓慢,新的功能基因产生需要数百万年时间,无法满足快速发展的工业生产需求。利用合成生物学技术,研究人员可以依据已知的酶催化机理和蛋白质结构进行全新的基因设计与合成,按照工业生产需求快速创造全新的蛋白质催化剂,实现各种自然界生物无法催化的生物化学反应。尽管新基因设计技术展现了激动人心的应用前景,但是目前该技术还存在设计成功率不高、酶催化活性较低、合成成本较高等科技挑战。未来随着合成生物学技术的快速发展,设计、改造、合成和筛选等技术将融合为一体,为新基因设计与创建带来全新的发展机遇。