基因组挖掘技术在海洋放线菌天然产物研究开发中的应用及展望

利用微生物的基因组信息预测其合成特定天然产物的潜能, 进而进行新化合物分离纯化和结构鉴定的基因组挖掘技术, 已经成为国内外研究的热点, 并在多种细菌和真菌的天然产物发现中得到成功应用。本文综述了基因组挖掘技术的最新进展, 包括生物信息分析和结构预测、基因组指导的天然产物的发现、沉默基因的激活和异源表达技术等, 以及我国学者开发的转录组挖掘技术, 并重点综述了影像质谱技术在基因组挖掘中的应用。目前对海洋放线菌进行基因组挖掘的研究还比较少, 而基因组挖掘技术的发展, 将极大地促进对海洋放线菌天然产物的发现和鉴定。未来除了充分挖掘可培养微生物的基因组, 对未培养微生物宏基因组的挖掘将进一步深入。此外, 除了开发利用基因组中合成天然产物的结构基因和调节基因, 还应该充分开发利用其他不同的遗传元件, 包括不同转录活性和响应不同环境条件和信号的启动子, 以及具有调节作用的RNA等。     

白菜和甘蓝基因组转座子表达及其对基因调控的潜在影响

转座子或转座元件是大多数真核生物基因组的主要组成成分。甘蓝(Brassica oleracea)基因组比白菜(B. rapa)大主要是转座子的扩增差异造成的。然而, 这两个芸薹属近缘物种转座子表达水平以及对基因的调控和功能的影响目前还不清楚。文章对白菜和甘蓝叶、根、茎3个器官的转录组数据进行了初步分析。结果显示, 转座子的表达量很低, 转录组reads中有1%来自转座子的转录本; 转座子的表达存在器官差异, 且不同类别和家族的转座子表达量相差很大, 相同类别和同一家族的转座子在白菜和甘蓝基因组中的表达活性也不相同。进一步鉴定到转录读出的LTR反转座子, 其与下游基因距离小于2 kb的有41个, 小于100 bp的有9个, 这些LTR的转录读出很可能通过正义或反义的转录本激活或干扰下游基因的表达。同时, 具有转录读出的intact LTR比solo LTR具有更强的读出活性。通过深入分析转座子的插入位点发现, 白菜基因组中转座子插入基因内部的频率比甘蓝基因组中的高; 与反转座子相比, DNA转座子更偏向于插入或保留在基因的内含子当中。这些结果为认识转座子对其他蛋白编码基因的影响提供了基础。     

核呼吸因子-1:细胞核调控线粒体功能的一种重要因子

核基因组和线粒体基因组之间的相互作用,以及它们调控呼吸链亚基表达的机制,一直是国内外学研究的热点问题。核转录因子的发现,使细胞核调控线粒体呼吸链亚基表达机制的研究得到很大发展。核呼吸因子-1(nuclear respiratory factor 1,NRF-1)是一种由核基因组编码的,调控呼吸链亚基表达以及mtDNA转录和复制的核转录因子。该就NRF-1的发现、调控呼吸链亚基表达、在胚胎期维持mtDNA稳定等功能作一介绍。     

封面说明

正miRNAs是一类长约18~22 nt的小分子非编码RNA,能调控转录后的靶基因表达。基于CRISPR/Cas系统介导的基因组定点编辑技术已广泛应用于基因敲除、单碱基编辑与基因激活和抑制表达等,该技术也能用于靶向编辑miRNA。然而,miRNA前体长度较短,在miRNA前体中,是否含有适用于不同基因组编辑核酸内切酶且特异性高的sgRNA还未被系统研究。为了依据不同miRNA前体的序列特征,灵活采用不同类型     

基因组DNA甲基化及组蛋白甲基化

在真核生物中,DNA甲基化是一种非常重要的表观遗传学标记,能影响染色质的结构和基因的表达。随着全基因组甲基化测序的发展,全基因组范围内的DNA甲基化水平得以了解。文章概述了基因组中启动子、基因本体、增强子、沉默子和转座子等不同元件的DNA甲基化的研究进展,以及DNA甲基化与基因表达调控间的关系。启动子的DNA甲基化对基因的表达有抑制作用,而基因本体的DNA甲基化与基因的表达关系因物种或细胞类型不同而异。增强子的DNA甲基化状态与基因活性呈反比关系,沉默子则相反呈正相关。转座子的DNA高度甲基化抑制其转座活性,从而维持基因组的稳定性。文章还探讨了DNA甲基化与组蛋白甲基化间的相互作用及其对基因表达、可变剪切、转录的调控作用,以及本领域的未来研究方向。     

Tat翻译后修饰调控HIV-1的转录

HIV-1病毒感染机体靶细胞后,可通过一系列调控蛋白和辅助蛋白来改变宿主环境,以逃避免疫反应和促进病毒复制。调控蛋白Tat在病毒初始转录阶段与多种转录辅助因子相互作用,控制HIV-1基因组转录和潜伏期病毒的激活等,被称为HIV-1的反式转录激活因子。翻译后修饰是一种可逆过程,在Tat与不同转录辅助蛋白之间扮演了至关重要的角色。磷酸化可以促进Tat与TAR RNA结合,乙酰化能够巩固Tat/P-TEFb/TAR RNA复合体的形成,或增加染色质修饰和重塑,增强HIV-1基因组转录起始。Tat发生泛素化修饰可导致其表达下降并阻断转录,也可表现为其水平的稳定。Tat甲基化后对转录的影响不同,甚至完全相反。因此,这可能成为逆转录病毒复制和传播的潜在靶点。本文就Tat在HIV-1基因组转录和复制中涉及蛋白质磷酸化、乙酰化、泛素化和甲基化修饰方面的研究进展进行总结,以促进人们对Tat翻译后修饰与HIV-1转录机制的理解,并为抗HIV转录的新型药物发掘奠定理论基础。     

苹果DREB转录因子家族全基因组鉴定与分析

DREB转录因子属于AP2/ERF转录因子家族,能够与DRE/CRT顺式作用元件特异性结合,调控与逆境应答基因的表达,因而在植物应对低温、干旱、高盐等逆境胁迫中发挥重要作用。该研究利用苹果全基因组数据,通过生物信息学手段鉴定苹果DREB转录因子家族成员,并分析DREB转录因子家族保守域特点与功能及表达情况。结果表明:从苹果全基因组中共鉴定出60个DREB转录因子家族成员,与拟南芥和水稻相比基本一致,通过引入拟南芥DREB基因进行系统发生分析,进一步可以将其细分为6个亚组;结构域和保守元件分析表明,DREB基因家族含有一个AP2保守结构域;染色体定位表明,苹果DREB基因分布于11条染色体上,部分基因存在串联复制现象;基因结构分析显示,该亚家族基因不含内含子。利用同源拟南芥RNA-Seq数据分析结果表明,DREB转录因子家族对低温、ABA调节等非生物胁迫具有调控作用,同时在DREB亚家族中每个亚组响应不同的非生物胁迫;通过分析DREB基因在不同组织中的表达情况,结果显示DREB基因在植物根部中的表达量最强,其次是叶。     

丛枝菌根真菌数个种的基因组和转录组研究概况

丛枝菌根真菌（AMF）在自然界分布广泛，能与大部分维管植物的根系形成菌根共生体。它们在调节植物群落结构和全球的碳、氮、磷循环等方面发挥着重要的生态功能，也是农林、环境领域最具应用前景的微生物类群。受限于培养方法、研究手段等，长期以来对AMF基因组、转录组特征的认识非常有限。最近10年，AMF基因组和转录组的相关研究在高通量测序技术的推动下取得了较快发展；研究结果也显著提高了对AMF遗传发育、代谢生理、共生机制等的认识。本文综述了目前已完成测序的AMF种类的基因组、转录组信息。结果发现，已测序的AMF种类普遍具有基因组大、转座子丰富、AT碱基含量高、含大量未知功能基因与特异性基因、缺少部分共生相关基因等特点。在转录层面，总结了不同AMF种类、AMF不同共生结构、共生阶段以及与不同寄主植物共生时的转录本特征。结果发现，不同种类AMF的转录本大小差异明显。不同共生阶段或不同共生结构中的AMF转录本也具有较大的差异，且差异表达的基因大部分与养分交易、信号转导等密切相关。相比之下，同种AMF与不同寄主植物共生时的转录本表现出较高的保守性。最后，本文提出了本领域需要重点关注的研究方向，包括AMF纯培养技术的革新、AMF基因功能的解析、非模式AMF类群的研究以及对AMF蛋白组的研究。     

长链非编码RNA研究进展

基因组计划研究表明, 在组成人类基因组的30亿个碱基对中, 仅有1.5%的核酸序列用于蛋白质编码, 其余98.5%的基因组为非蛋白质编码序列。这些序列曾被认为是在进化过程中累积的“垃圾序列”而未予以关注, 但在随后启动的ENCODE研究计划中却发现, 75%的基因组序列能够被转录成RNA, 其中近74%的转录产物为非编码RNA(Non-coding RNA, ncRNA)。在非编码RNA中, 绝大多数转录本的长度大于200个碱基, 这些“长链非编码RNA(Long non-coding RNA, lncRNA)”能够在转录及转录后水平上调节蛋白编码基因的表达, 从而广泛地参与包括细胞分化、个体发育在内的重要生命过程, 其异常表达还与多种人类重大疾病的发生密切相关。文章综述了长链非编码RNA的发现、分类、表达、作用机制以及其在个体发育和人类疾病中的作用。     

水稻 ADP-葡萄糖焦磷酸化酶小亚基 I 基因的启动子分析

水稻（Oryce sativa L．）基因组中的ADP-葡萄糖焦磷酸化酶小亚基（ADP-Glucose pyrophosphorylase small subunit,OsAgpS）由两个基因编码,即OsAgpSl和OsAgpS2。其中OsAgpSl基因产生两个转录本OsAgpSla和OsAgpSlb,区别在第一个外显子的位置不同。通过RT—PCR方法分析了两个转录本在水稻组织和胚乳不同发育时期的表达特性;同时通过报告基因GUS检测了两个转录本上游转录调节区DNA片段的转录启动特性。结果表明,两个启动子与其下游转录本的表达模式完全一致,即OsAgpSla转录本和OsAgpSla上游启动子控制的GUS基因主要在胚乳中高水平表达,在叶片中有很低水平的表达;而OsAgpSlb转录本和OsAgpSlb上游启动子控制的GUS基因主要在叶片和胚乳发育早期低水平表达。这说明OsAgpSl基因产生的两个转录本是由不同的启动子控制转录的,OsAgpSla上游启动子可以作为胚乳表达用启动子。     

动物线粒体基因组的转录物作图与应用

线粒体转录物作图是研究线粒体基因组表达、调控和序列注释的基础。目前用于线粒体转录组分析的方法主要有表达序列标签(expressed sequence tag,EST)文库测序、5’和3’cDNA末端快速扩增(rapid amplification of cDNA ends,RACE)技术和RT-PCR方法,采用这些方法已经对果蝇(Drosophila melanogaster)、按蚊(Anopheles funestus)、玻璃海鞘(Ciona intestinalis)、猪(Sus scrofa domestica)等线粒体转录组进行了分析。研究显示,脊椎动物和无脊椎动物的线粒体基因组分别产生3个和5个多顺反子的初级转录物,并通过tRNA间断模型(tRNA punctuation model)加工。线粒体转录物的分析结果为正确注释线粒体基因组序列提供了重要信息。     

组织和发育特异性基因的远距离转录调控

远距离转录调控是指增强子、沉默子和隔离子等顺式作用元件参与的组织和发育特异性基因的表达调控。其调控元件可位于距转录基因很远的DNA区域,甚至分布于邻近基因内含子中。随着人类基因组计划和各种模式生物测序工作的完成,为大规模快速查找远距离调控元件提供了新的手段。由于基因组结构的复杂性,很难建立统一的基因表达调控模型,目前认为启动子与增强子的相互作用是组织和发育特异性基因成功表达的关键。另外,远距离转录调控机制一旦破坏还将导致疾病的发生。     

观赏植物NAC转录因子的研究进展

NAC转录因子家族在调节植物的生长发育中发挥着重要的作用,在模式植物、作物中已进行了大量研究,但是在观赏植物中的研究还缺乏系统性的梳理和探讨。本综述介绍了NAC转录因子的结构和分类,并梳理了2004-2023年NAC转录因子在观赏植物器官生长发育和胁迫响应上的生物学功能研究,其中观赏植物器官生长发育主要集中在叶缘形态建成、花器官发育、叶片衰老、花瓣衰老、种球休眠5个方面,胁迫响应则集中在干旱、盐、碱、冷、热等非生物胁迫,在生物胁迫中报道较少。最后,鉴于观赏植物NAC转录因子大部分都还停留在生物信息学分析以及表达模式分析等功能初探阶段,本文在结合观赏植物全基因组测序继续开展NAC转录因子鉴定研究、挖掘观赏植物中与模式植物存在不同作用机制的NAC转录因子、解析观赏植物NAC转录因子与其他转录因子间的调控网络、加快利用推进基因工程或编辑技术开展观赏植物的分子育种工作等4个方面,对未来NAC转录因子在观赏植物中的研究提出了展望。     

黄曲霉毒素生物合成代谢相关的基因组信息挖掘和转录调控因子研究进展

黄曲霉毒素生物合成调控机制的研究已成为研究真核生物次级代谢过程的模式系统,真菌基因组学及其他组学技术的快速发展为我们挖掘基因组信息、获取基因表达谱继而为黄曲霉毒素生物合成调控网络及其他真菌次级代谢机制的研究提供基础。真菌次级代谢基因的表达需要不同类型的转录因子进行调控,包括通路特异性转录因子、全局性转录因子及应答各种环境信号的广泛转录因子等,对这些转录因子功能的研究加快了对黄曲霉毒素生物合成代谢调控机制的认识。     

昆虫线性单链DNA病毒表达策略研究进展

昆虫线性单链DNA (linear single-stranded DNA, linear-ssDNA)病毒感染的昆虫种类很广泛。它们主要归属于细小病毒科(Parvoviridae)的浓核病毒亚科(Densovirinae)和二分DNA病毒科(Bidnaviridae)。近年来,随着宏基因组学方法的发展,越来越多的昆虫linear-ssDNA病毒被发现,其基因组转录模式也逐渐被解析。昆虫linear-ssDNA病毒的基因组具有双义和单义两种类型,因此,该文将阐述双义和单义两种类型基因组的表达策略特征。总结来讲,其主要是通过未剪接(unsplicing)、选择性剪接(alternative splicing)、选择性多聚腺苷酸化(alternative polyadenylation)等转录方式产生多种转录本,采用选择性起始(alternative initiation)、漏扫描(leaky scanning)或移框(frameshifing)等方式表达蛋白质。现综述昆虫linearssDNA病毒的表达模式类型和研究进展,为研究其他的linear-ssDNA病毒的表达策略提供理论参考。     

青藏高原野生冬虫夏草子实体发育时期的宏转录组研究

冬虫夏草为冬虫夏草菌(Ophiocordyceps sinensis)感染蝙蝠蛾(Thitarodes spp.)幼虫后形成的菌虫复合体.本文在前期完成冬虫夏草菌基因组研究的基础上,于青藏高原5个不同样地采样,取虫草子实体部分开展宏转录组分析.结果表明,不同样品中的微生物群落组成不同,但真菌寄生菌——木霉菌(Trichoderma spp.)存在于所有样品中.使用测序片段进行编码基因比对及基因差异表达分析表明,不同基因的表达水平在不同样品中存在显著差异,尤其是与真菌有性生殖及子实体发育等相关基因的表达存在明显差异,但总体特征与样品采集地的地理纬度相关.冬虫夏草菌基因组中的转座子元件显著扩张,宏转录组分析表明,Ⅰ型反转录元件及Ⅱ型DNA转座子在不同样品中均存在高水平的表达,暗示这些转座子参与冬虫夏草菌的环境适应性调控及基因组进化.     

转录组研究新技术:RNA-Seq及其应用

转录组是特定组织或细胞在某一发育阶段或功能状态下转录出来的所有RNA的集合。转录组研究能够从整体水平研究基因功能以及基因结构,揭示特定生物学过程以及疾病发生过程中的分子机理。RNA-Seq作为一种新的高效、快捷的转录组研究手段正在改变着人们对转录组的认识。RNA-Seq利用高通量测序技术对组织或细胞中所有RNA反转录而成的cDNA文库进行测序,通过统计相关读段(reads)数计算出不同RNA的表达量,发现新的转录本;如果有基因组参考序列,可以把转录本映射回基因组,确定转录本位置、剪切情况等更为全面的遗传信息,已广泛应用于生物学研究、医学研究、临床研究和药物研发等。文章主要介绍了RNA-Seq原理、技术特点及其应用,并就RNA-Seq技术面临的挑战和未来发展前景进行了讨论,为今后该技术的研究与应用提供参考。     

植物线粒体基因转录和转录后加工

植物线粒体基因组作为植物细胞中三个遗传系统之一 ,在转录和转录后的加工中存在有许多特殊性 :在基因组结构中 ,植物线粒体基因组比较大 ,且不同物种间差异较大 ;其转录过程具有许多特点 ,例如可以起始于编码区的多个位点等 ;在高等植物中 ,所发现的线粒体基因内含子大多是II型内含子 ,这些内含子有时编码蛋白 ;植物线粒体基因转录后的编辑中C -U转换是一个十分明显的特征 ;在线粒体中 ,多腺化使转录本趋于不稳定 ,而在细胞核中 ,RNA的多腺化可以增强转录本的稳定性。综述了植物线粒体基因组结构以及转录后的编辑、剪接、多腺化等方面的特点和研究进展 。     

RNA病毒感染性转录体的制备

构建感染性转录体已成为研究ＲＮＡ病毒复制,表达,致病机制等的有力工具。感染性转录体可通过ｃＤＮＡ克隆经体内或体外转录获得,也可通过聚合酶链反应（ＰＣＲ）扩增产物直接转录获取。ＤＮＡ聚合酶引起的点突变、ｃＤＮＡ克隆的稳定性,转录体长度多态性、病毒基因组的５‘和３’端序列等均可影响转录体的感染性。     

马协型水稻细胞质雄性不育系线粒体基因组的变异与功能的研究

马协型水稻细胞质雄性不育系是近年培育并广泛应用的一种新型不育系。利用Southern blot、Northern blot和Blue-native PAGE电泳等技术对其线粒体基因组的变异和功能进行研究,分析其雄性不育的分子机理。发现其不育系线粒体基因组中除有一个正常的cox2基因外还存在一个多余的拷贝,且分别转录成不同的转录本。Blue-native PAGE电泳显示,不育系线粒体呼吸链复合物IV的活性明显低于保持系。