天然嵌合基因的结构特性及其对基因设计的启示

天然嵌合基因(natural chimeric gene)是由两个或两个以上的独立基因天然融合而成的新基因,该类型基因的发现,突破了“一个基因对应一个染色体座位”的经典认知,扩展了基因的概念。在人类癌症研究过程中,诸多的嵌合基因可导致肿瘤相关疾病,并作为癌症分子的诊断标志而受到人们的广泛关注。本文基于嵌合基因生物信息学方面的相关研究,以癌基因为切入点,从天然嵌合基因的融合特点、转录、调控,以及融合蛋白的结构域组合形式和功能等方面,结合本研究组前期的相关工作,综述了嵌合基因融合结构和功能的研究进展,探讨了当前研究工作的困难与挑战,并对嵌合规律在新基因设计的应用作了展望。     

嵌合RNA在肿瘤中的生物学意义

嵌合RNA(chimeric RNA)是来自不同基因的外显子片段通过一定的染色体重排或转录剪接机制形成的融合转录本，具有编码新RNA和/或蛋白质的潜能。嵌合RNA广泛存在于肿瘤和正常组织中，但不同的组织、细胞甚至分化的不同时间点都可能有其独特的嵌合RNA表达谱。目前，对嵌合RNA的研究尚处于起步阶段，其相关定义和术语尚不明确，因此，本文将对其进行统一规范。此外，为了从多维度认识“嵌合RNA”,本文将对嵌合RNA的形成机制和分类，以及其在肿瘤发生发展中的作用机制及其在不同肿瘤中的功能和应用进行详细论述。研究表明，嵌合RNA可编码一定的基因产物，在调控细胞的增殖、迁移、侵袭和凋亡等方面发挥重要作用。在肿瘤中，嵌合RNA可编码特异性蛋白质，通过改变细胞表型，或者直接以非编码嵌合RNA的形式影响基因的表达或调控通路，导致癌症的发生。基于此使得嵌合RNA及其编码产物有望成为诊断癌症的重要标志物和药物治疗的有效靶点。近年来，已在不同肿瘤中发现了多种特异性嵌合RNA,它们在疾病的发生和进展中发挥了重要的作用。目前，已有嵌合RNA及其产物作为分子靶标成功应用于临床诊断和治疗，或者评估疾病的预后。本文将...     

转录辅调节因子在剪接过程中的作用

细胞通过基因表达调控来应对外界刺激,其中对基因转录起始和pre-mRNA剪接的调控是基因表达调控的重要环节。越来越多的实验显示基因转录和pre-mRNA剪接这两个过程在时空上密切相关。基因转录能调节剪接模式的选择性,反之剪接过程也影响基因转录。近年来研究发现转录辅调节因子在联系转录和剪接过程中扮演着重要角色。转录辅调节因子对基因表达的调控不仅在于影响转录产物的量,还可以调控pre-mRNA的选择性剪接并产生不同的剪接体,从而翻译出具有不同生物学功能的蛋白质。本文主要阐述了基因转录与剪接之间的关系以及它们之间相互作用的机制,有利于更深入理解基因表达调控的过程。     

异向转录基因对的鉴定、调控及其功能

转录起始位置临近的两个基因分别向两个方向的转录(异向转录)在哺乳动物基因组中广泛存在,例如许多编码基因与非编码基因形成异向转录基因对。近年来的研究表明异向转录受到多种因素的调控,如转录终止、基因成环结构、染色体修饰、核小体重构等。异向转录产物可以影响相邻基因的表达,或者产生增强子RNA影响其他基因的表达,同时也被认为是进化过程中产生新基因的途径之一。现总结近年来围绕异向转录基因对的鉴定、调控及功能的研究进展,并讨论该研究领域可能的发展方向。     

基因组印记中的长非编码RNA

长非编码RNA(lnc RNA)是长度大于200 bp的一类非编码蛋白的RNA,因其在基因组中含量巨大以及重要的生物学功能引起了学术界的广泛关注.基因组印记是一种表观遗传现象,lnc RNAs通过建立靶基因的印记而发挥重要的生物功能.基因组印记可以用来研究lnc RNAs在转录和转录后水平调控基因表达的分子机制.本文选取6个印记机制研究比较透彻的印记区域,包括Kcnq1/Cdkn1c、Igf2r/Airn、Prader-Willi(PWS)/Angelman(AS)、Snurf/Snrpn、Dlk1-Dio3和H19/Igf2.通过介绍包括基因间lnc RNAs(H19、Ipw和Meg3)、反义lnc RNAs(Kcnq1ot1、Airn、Ube3a-ATS)和增强子lnc RNAs(IG-DMR e RNAs)在内的3种类型lnc RNAs在印记调控中的作用,从而了解lnc RNAs通过顺式或(/和)反式作用多种机制调控亲本特异性靶基因的表达.了解印记基因簇中lnc RNAs的作用方式将有助于我们揭示lnc RNAs在整个基因组中的作用机制.     

鸡Z染色体上DMRT1基因的多重跨染色体剪接

性别决定与分化发育是同时涉及生命现象中两种细胞分裂(有丝分裂和减数分裂)形式的惟一的分化发育过程。对该过程中关键基因DMRT1的转录分析,发现位于鸡Z染色体上的DMRT1基因分别同时与4号染色体上的CENPC1基因、5号染色体上CD5R基因和2号染色体上37LRP/p40基因发生跨染色体剪接,由此构成了新的跨染色体剪接本DMRT1-CENPC1、DMRT1-CD5R和DMRT1-37LRP/p40。对其剪接位点的分析,发现两段染色体序列存在的重叠区可能在这种剪接中起着重要作用。DMRT1基因在转录过程中同时与多个染色体上基因发生多次跨染色体剪接的发现,无疑有助于对在转录水平上的多样性基因调控以及性别决定与分化发育等的认识开辟另一新途径。     

嵌合RNA的形成机制及生物学意义

传统观念认为,嵌合RNA只是由染色体重排导致的基因融合,且融合基因及其产物(RNA和蛋白质)曾被认为是癌症的独有特征。然而,随着测序技术的进步和生物信息学软件工具的开发,通过对RNA-Seq数据库分析,越来越多的嵌合RNA被分离和鉴定出来。近年的研究表明,嵌合RNA并不是癌症所特有的现象,它广泛存在于人类多种正常组织和细胞中。除了染色体重排之外,嵌合RNA还有多种不同的分子形成机制,包括相邻基因的顺式剪接和反式剪接等。未发生染色体改变的嵌合RNA在转录水平上受到调控,从而呈现出独特的调控模式,其失调可能影响细胞分化并诱导肿瘤的发生。此外,嵌合RNA还发挥特定的生理功能,包括影响正常细胞生长和迁移能力,调控细胞周期及凋亡。通过影响染色体重排从而诱导基因组畸变,亦可作为潜在的竞争性内源RNA,以及影响干细胞的分化等。了解嵌合RNA在组织和细胞发育不同阶段的特异性表达,将有助于发掘潜在的临床诊疗生物标志物。深入且准确地对嵌合RNA的组织学图谱进行研究,可能实现从崭新的视角对特定细胞类型进行嵌合RNA治疗。越来越多的实验数据表明,嵌合RNA广泛存在于癌症和正常组织中,且具有重要的生理功能,其表达水平和模式也是高等动物拓展基因组功能的方式之一。     

真核生物基因组转录诱导融合基因的研究进展

真核生物的基因组由基因和基因间区组成.基因转录时,从转录起始点开始到该基因的转录终止点结束,形成独立的转录单元.然而有少量的文献表明,转录有时会通读基因间区,产生包含上游基因、基因间区和下游基因的融合基因转录本.融合转录本经基因间剪接而成为有功能的成熟转录本.对真核生物转录诱导融合基因的基因间剪接方式、产生机制和意义进行了综述.     

内源小RNAs在植物病原体抗性反应中的作用

内源小RNAs是动植物基因表达的重要调节分子,它们可以通过指导mRNA的降解、抑制翻译或染色体修饰等机制,在转录水平或转录后水平或两个水平沉默基因.内源小RNAs在植物生长发育和生物和非生物胁迫适应反应中具有重要作用,其中3种内源性的小RNAs参与了植物基本免疫反应和对病原体的特异性免疫反应.内源小RNAs的发现为植物抗菌和抗病研究开辟了新思路,就这几种内源性的小RNAs的产生和它们在植物抗病原体反应中的作用做一概述.     

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。     

长链非编码RNA与肿瘤和干细胞

人类基因组包含20 000多种蛋白质编码基因,只占总基因的2%左右,而90%以上的转录子是长链非编码RNA(Long non-coding RNAs,lnc RNAs)。lnc RNAs是广泛存在于哺乳动物基因组中的长度在200-100 000 nt之间,且不具有蛋白质编码功能的转录本。研究发现其在许多类型的肿瘤中存在异常表达,具有潜在的致癌或抑癌作用,并作为重要的调控分子参与各种生物学过程,与肿瘤的发生、发展密不可分。此外,lnc RNAs在维持干细胞全能性、调控干细胞基因表达、调节干细胞自我更新和分化等方面发挥了至关重要的作用,是继micro RNA后肿瘤研究的新热点。针对lnc RNAs在肿瘤和干细胞生物学中的功能及相关机制作一综述,旨在为肿瘤的诊断、治疗、预后等方面提供新思路。     

小RNAs在沉默转座因子中的作用

在很多生物基因组中都存在DNA成分的转座序列,它们能够转座到基因组的很多位点,对基因组造成很大的危害,如破坏编码基因、改变基因表达的调节网络、使染色体断裂或造成大范围基因重排等。真核生物已经进化出了多种机制来控制这些寄生核酸序列造成的损伤,以维持基因组完整性。虽然这些机制在不同生物中有些差异,但其中一种主要的机制是通过小RNAs介导的,这些小RNAs包括小干扰RNAs、piwi相互作用的小RNAs、微小RNAs、扫描RNAs和21U-RNAs等。这些小RNAs可以通过DNA水平剪切转座序列,或在转录和(或)转录后水平沉默转座成分。该文就这些小RNAs沉默转座成分的机制和功能做一论述。     

一个肝癌相关长链非编码RNA的克隆及序列分析

最近我们利用新一代测序(next generation sequencing,NGS)技术对肝细胞癌(hepatocellular carcinoma,HCC)患者活检标本及正常对照肝组织样品进行高通量RNA测序(RNA-sequencing,RNA-Seq),在肝癌样品中染色体11q13.1区域检测到几个相邻的RNA-Seq信号峰,而在正常对照组织中没有检测到,且该染色体区域目前尚无已知基因登录,提示这几个RNA-Seq峰可能代表一个或多个未知的新基因.以此为线索,证实这几个RNA-Seq峰来自同一个新基因,并克隆了该基因全长序列,在克隆该基因全长序列时,发现该基因编码的RNA存在多种剪接形式,最长的转录本为3 562 bp.将该基因编码的12条代表性RNA转录本序列递交到美国国立生物技术信息中心(National Center for Biotechnology Information,NCBI)的GenBank数据库中,GenBank ID号分别为KC136297~KC136308.该基因编码的RNA没有发现明显的开放阅读框(open reading fragment,ORF),提示该基因可能编码长链非编码RNA(long non-coding RNA,lncRNA).为了探讨该lncRNA基因可能的转录调控机制,我们用生物信息学方法预测了该lncRNA基因潜在启动子区域,发现在其转录起始位点上游-719~-469 bp处有一个潜在的启动子,其中包含7个Sp1、1个STAT5和1个EGR1转录因子结合位点.该lncRNA在肝细胞癌发生发展过程中的作用机制值得进一步深入研究.     

鸡Z染色体上DMRT1基因的多重跨染色体剪接

性别决定与分化发育是同时涉及生命现象中两种细胞分裂(有丝分裂和减数分裂)形式的惟一的分化发育过程。对该过程中关键基因DMRT1的转录分析，发现位于鸡Z染色体上的DMRT1基因分别同时与4号染色体上的CENP C1基因、5号染色体上CD5R基因和2号染色体上37LRP/p40基因发生跨染色体剪接，由此构成了新的跨染色体剪接本DMRT1-CENP C1、DMRT1-CD5R和DMRT1-37LRP/p40。对其剪接位点的分析，发现两段染色体序列存在的重叠区可能在这种剪接中起着重要作用。DMRT1基因在转录过程中同时与多个染色体上基因发生多次跨染色体剪接的发现，无疑有助于对在转录水平上的多样性基因调控以及性别决定与分化发育等的认识开辟另一新途径。     

可变剪接与疾病的生物信息学研究概况

可变剪接是真核基因转录后期的重要调控机制,它使得同一条蛋白质编码基因能够产生多种转录体,极大的扩展了遗传信息的应用.研究发现,可变剪接与人类疾病有着密切的联系.错误的剪接会导致疾病,增加疾病的易感性与病变程度,甚至直接导致癌变.现对可变剪接调控机制与疾病的生物信息学研究进展进行综述.     

真核基因可变剪接研究现状与展望

mRNA前体(pre-mRNA)的可变剪接是控制基因表达和产生蛋白质多样性的重要机制,是功能基因组时代的研究重点之一。生物信息学在识别可变剪接基因及其结构、分析可变剪接的功能和调控方式等方面具有重要作用。除了耗时的实验研究,识别可变剪接基因及其结构主要通过EST、mRNA等转录数据与基因组序列进行比对,获得同一基因的不同结构方式。分析蛋白质产物可对可变剪接的功能进行预测;潜在调控元件的统计分析则可为可变剪接调控机制的研究提供必要的数据。转录数据的时空信息以及比较基因组学对理解可变剪接信息的精确调控将提供重要资料。可变剪接及其调控机制的深入研究将为基因组和蛋白质组之间的对接提供重要的桥梁。     

受逆境诱导的水稻Rim2/Hipa假基因转录本选择性加尾和剪接

我们以往的研究证明水稻受病原菌诱导的Rim2/Hipa因子是水稻基因组所特有的DNA转座子超级家族.本实验通过对病原菌诱导的cDNA文库的筛选和对EST数据库的搜索,发现在众多的Rim2拷贝中,只有Rim2-42因子被表达,其为一个TNP2类转座酶的假基因,其编码区为终止子所打断.序列分析结果表明Rim2转录本被选择性剪接和加尾,而且在两个水稻亚种中的剪接方式有差异,共形成7种不同转录本结构,包括一个未知功能的Rim2-XET嵌合转录本,该嵌合转录本为转录通读(read-through)所形成,而XET基因是可以被逆境所诱导的.这些结果说明Rim2因子家族可能已失去转座的活性.结果也初步表明Rim2-42因子插入到了一个XET基因启动子的下游,该启动子带动了Rim2因子的诱导表达.     

CircRNAs在骨关节炎发生发展中的作用

环状RNA(circular RNAs,circ RNAs)是一类在真核细胞中广泛存在的非编码RNA。与传统的线性RNA不同,环状RNA无5’末端帽子和3’末端多聚A尾,而是形成一个共价闭合的环状结构。最初,人们认为circ RNAs是前体m RNA(pre-m RNA)发生错误剪接而形成的低丰度RNA分子,没有给予足够重视。随着高通量RNA测序技术和生物信息学的发展,大量circ RNAs被鉴定出来,对其认识也逐渐深入,发现circ RNAs具有重要的生物学功能,在充当mi RNA"海绵"、调控基因转录与表达等方面发挥着重要作用。近几年研究发现,circ RNAs在骨关节炎(osteoarthritis,OA)关节软骨与正常软骨中表达出现差异。部分表达差异的circ RNAs参与调节了与OA发生发展密切相关的软骨细胞外基质(extracellular matrix,ECM)降解、炎症反应、软骨细胞凋亡等过程。尤其是,小干扰RNA(small interfering RNAs,si RNAs)沉默circ RNA-CER后,可促进软骨细胞ECM生成,提示circ RNAs可能成为治疗OA的新靶点。本文将在简单综述circ RNAs的生物合成、主要生物功能的基础上,重点综述circ RNAs与OA发生发展之间的关系,以期为OA的诊断和特异性治疗提供新靶点和新治疗措施。     

miRNAs调控lincRNAs的生物信息学预测与功能分析

基因间长链非编码RNAs(Long intergenic non-coding RNAs, lincRNAs)是位于蛋白编码基因之间的长度超过200 nt的非编码RNAs, 在动物中参与细胞周期调控、免疫监视、胚胎干细胞分化等多种生物学过程, 但是lincRNAs在大多数植物中的功能尚不清楚。MicroRNAs(miRNAs)是真核生物中一类在转录水平和转录后水平介导基因沉默的21 nt左右的内源性单链小非编码RNAs分子, 通过序列互补的方式调控靶标基因的表达。目前miRNAs的靶标研究主要集中于编码蛋白的基因, 而对于靶标为非编码RNAs的研究较少, 尤其在植物中的研究更为少见。为了系统挖掘植物中lincRNAs的功能, 文章整合miRNAs数据、cDNAs数据和降解组数据, 利用生物信息学方法找到拟南芥(Arabidopsis thaliana)337个成熟miRNAs在2708个lincRNAs上的可能结合位点, 构建了miRNAs-mRNAs-lincRNAs调控网络, 并根据竞争性内源(ceRNA)假说预测lincRNAs的功能, 为进一步阐明植物中miRNAs对lincRNAs的调控机制以及lincRNAs的功能奠定了基础。     

植物小RNAs的研究进展

小RNAs(长度小于40 nt)是nc-RNAs重要的一部分,现在植物中已发现了多种小RNAs,如小干扰RNAs(siRNAs)、微小RNAs(miRNAs)、反式作用的小干扰RNAs、天然反义转录小干扰RNAs、异染色质小干扰RNAs、长小片段小干扰RNAs、天然反义转录的微小RNAs及其一些未命名的小RNAs.成熟的小RNAs聚集相关的蛋白质因子,可以抑制转录,导致转录水平的基因沉默(TGS);或介导目标mRNA的剪切,抑制翻译,导致转录后水平基因沉默(PTGS).就这些植物小RNAs产生及其作用的研究进展作一概述