生物學(xué)基礎(chǔ)學(xué)科

CRISPR/Cas系統(tǒng)：RNA靶向的基因組定向編輯新技術(shù)

李君，張毅，陳坤玲，等

摘要：CRISPR/Cas系統(tǒng)廣泛存在于細(xì)菌及古生菌中，是機(jī)體長(zhǎng)期進(jìn)化形成的RNA指導(dǎo)的降解入侵病毒或噬菌體DNA的適應(yīng)性免疫系統(tǒng)。對(duì) Ⅱ 型CRISPR/Cas系統(tǒng)的改造使其成為繼鋅指核酸酶（ZFNs）和TALE核酸酶（TALENs）以來(lái)的另一種對(duì)基因組進(jìn)行高效定點(diǎn)修飾的新技術(shù)，與ZFNs和TALENs相比，CRISPR/Cas系統(tǒng)更簡(jiǎn)單，并且更容易操作。文章重點(diǎn)介紹了Ⅱ型CRISPR/Cas系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)、作用原理及這一技術(shù)在基因組定點(diǎn)修飾中的應(yīng)用，剖析了該技術(shù)可能存在的問(wèn)題，展望了CRISPR/Cas系統(tǒng)的應(yīng)用前景，為開(kāi)展這一領(lǐng)域的研究工作提供參考。在現(xiàn)代生物學(xué)研究中，基因組編輯（genome editing）技術(shù)是人們了解特定基因功能的基礎(chǔ)。隨著越來(lái)越多物種全基因組測(cè)序的完成，科學(xué)家們面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)就是如何從海量的數(shù)據(jù)中獲得基因功能和應(yīng)用信息，基因組的定點(diǎn)編輯技術(shù)是實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)的重要研究工具，為此也被《Science》評(píng)為2012年十大重要科學(xué)進(jìn)展之一。近年來(lái)興起的基因組定點(diǎn)編輯技術(shù)包括以下幾種人工核酸酶：鋅指核酸酶（zinc-finger nucleases，ZFNs），TALE核酸酶（transcription activator like effector nucleases，TALENs），以及近一年來(lái)興起的一項(xiàng)新技術(shù)——CRISPR/Cas系統(tǒng)（CRISPR/Cas system）。這些人工核酸酶都可以在DNA靶位點(diǎn)產(chǎn)生DNA雙鏈斷裂（double strand breaks，DSBs），它們對(duì)基因組定點(diǎn)編輯是通過(guò)控制DNA的修復(fù)途徑實(shí)現(xiàn)的，DNA損傷后產(chǎn)生的 DSBs激活細(xì)胞內(nèi)固有的非同源末端連接（nonhomologous ending-joining，NHEJ）或同源重組（homologous recombination，HR）兩種不同的修復(fù)機(jī)制對(duì)損傷的DNA進(jìn)行修復(fù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)基因組的定點(diǎn)編輯。

來(lái)源出版物：遺傳， 2013， 35(11)： 1265-1273

入選年份：2016

基于密度泛函理論方法的核酸堿基拉曼光譜研究

吳雷，李菲，金周雨，等

摘要：核酸是重要的生物大分子之一，在生命活動(dòng)中起著至關(guān)重要的作用，作為遺傳信息的載體，參與遺傳信息在細(xì)胞內(nèi)的傳遞和表達(dá)，從而促進(jìn)并控制代謝過(guò)程的進(jìn)行。核酸堿基是核酸分子的重要組成部分，它的一些化學(xué)反應(yīng)，例如鹵代、脫氮、氧加成、烷基化和氰基化等反應(yīng)是核酸儲(chǔ)存信息和傳遞信息的基礎(chǔ)，也是生物體遺傳、進(jìn)化和變異的根本原因，所以研究核酸堿基分子的一些性質(zhì)對(duì)于研究生物體的行為以及生物活性等具有重要的意義。拉曼光譜是一種指紋光譜，一直是鑒別物質(zhì)和分析物質(zhì)結(jié)構(gòu)的重要方法，具有快速、無(wú)損傷的檢測(cè)特點(diǎn)，已應(yīng)用于在線檢測(cè)的研究中拉曼光譜技術(shù)的發(fā)展，克服了紅外光譜中水分子強(qiáng)吸收的干擾及空間分辨率低的問(wèn)題，成為生命科學(xué)及醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域強(qiáng)有力的研究手段而被廣泛使用。目前很多科研人員選擇拉曼光譜作為主要技術(shù)手段研究核酸堿基以及核酸堿基的同系物，為進(jìn)一步研究核酸分子的結(jié)構(gòu)變化以及分析核酸分子在生物體行使活性行為過(guò)程中所起的作用提供了大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和直接證據(jù)。密度泛函理論（density functional theory，DFT）是利用電子密度泛函取代波函數(shù)來(lái)研究、描述化學(xué)體系的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)以及能量等的一種計(jì)算化學(xué)方法，由于DFT計(jì)算結(jié)果精確、計(jì)算方法簡(jiǎn)便，常常被用來(lái)從理論上計(jì)算和預(yù)測(cè)已知構(gòu)象的分子振動(dòng)光譜，能夠獲得分子的幾何結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵性質(zhì)、振動(dòng)能級(jí)等方面的信息。通過(guò)對(duì)腺嘌呤、胞嘧啶、鳥(niǎo)嘌呤、胸腺嘧啶和尿嘧啶等進(jìn)行了拉曼光譜的研究，并且利用DFT方法優(yōu)化腺嘌呤、鳥(niǎo)嘌呤、胞嘧啶、胸腺嘧啶和尿嘧啶的分子結(jié)構(gòu)，然后對(duì)這5種核酸堿基的分子內(nèi)化學(xué)鍵振動(dòng)進(jìn)行了量化計(jì)算，利用獲得的結(jié)果對(duì)5種堿基的拉曼譜峰進(jìn)行了指征，為以后進(jìn)一步利用拉曼光譜研究核酸分子的結(jié)構(gòu)信息奠定了理論基礎(chǔ)。

來(lái)源出版物：生物化學(xué)與生物物理進(jìn)展， 2016， 43(3)：281-290

入選年份：2016

尼羅羅非魚(yú)ghrelin基因的多態(tài)性及其與生長(zhǎng)性狀相關(guān)SNP位點(diǎn)的篩選

王春曉，盧邁新，高風(fēng)英，等

摘要：尼羅羅非魚(yú)吉富品系（Oreoehromis niloticus，GIFT strain）是由4個(gè)亞洲養(yǎng)殖尼羅羅非魚(yú)品系和4個(gè)非洲原產(chǎn)地的尼羅羅非魚(yú)品系進(jìn)行混合選育獲得的優(yōu)良品系，其生長(zhǎng)速度顯著高于其他羅非魚(yú)養(yǎng)殖品種，是我國(guó)目前養(yǎng)殖區(qū)域分布最廣的羅非魚(yú)品種，具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。為了研究尼羅羅非魚(yú)（Oreoehromis niloticus）生長(zhǎng)激素促分泌素基因（ghrelin）的多態(tài)性及其與生長(zhǎng)的相關(guān)性，研究以2個(gè)尼羅羅非魚(yú)群體（快長(zhǎng)群體和基礎(chǔ)群體）的DNA樣本各40份為模板，通過(guò)PCR擴(kuò)增和測(cè)序獲得ghrelin基因序列。通過(guò)Dnasp v5和MEGA 5.0分析序列多態(tài)性、篩選有效 SNP位點(diǎn)；采用 Snapshot法對(duì)2個(gè)群體子代ghrelin基因中SNP位點(diǎn)進(jìn)行基因分型，然后分析SNP位點(diǎn)基因型與生長(zhǎng)性狀的相關(guān)性。結(jié)果表明，快長(zhǎng)群體ghrelin基因中的單核苷酸變異位點(diǎn)數(shù)（S）比基礎(chǔ)群體要少，而核苷酸多態(tài)性（Pi）和平均核苷酸差異數(shù)（K）要略高于基礎(chǔ)群體。共篩得 3個(gè)有效SNP位點(diǎn)（S1、S2和S3），均分布于第1個(gè)內(nèi)含子中。遺傳結(jié)構(gòu)分析表明，3個(gè)SNP位點(diǎn)在2個(gè)群體的子代中均為低度多態(tài)性位點(diǎn)（PIC＜0.25），但處于 Hardy-Weinberg平衡（P＞0.05）；快長(zhǎng)群體子代中3個(gè)SNP位點(diǎn)的觀測(cè)雜合度、期望雜合度和多態(tài)信息含量等遺傳多樣性參數(shù)均小于基礎(chǔ)群體子代的相應(yīng)值，3個(gè)SNP位點(diǎn)的遺傳多樣性參數(shù)、基因型和基因頻率在同一群體中高度一致，SNP位點(diǎn)之間完全連鎖。2個(gè)群體子代中3個(gè)SNP位點(diǎn)處的優(yōu)勢(shì)基因型相同，但快長(zhǎng)群體子代中優(yōu)勢(shì)基因型頻率要明顯大于基礎(chǔ)群體子代中相應(yīng)基因型頻率。對(duì)2個(gè)群體子代的生長(zhǎng)性狀與SNP基因型進(jìn)行關(guān)聯(lián)性分析的結(jié)果表明，尼羅羅非魚(yú)個(gè)體的多項(xiàng)生長(zhǎng)指標(biāo)（體重、體長(zhǎng)、體高、頭長(zhǎng)和尾柄高等）在不同基因型中存在顯著差異（S1：GG＞AG，S2：T＞AT，S3：AA＞AT）（P＜0.05）。D1雙倍型（S1：GG，S2：T，S3：AA）所對(duì)應(yīng)的尼羅羅非魚(yú)個(gè)體的多項(xiàng)生長(zhǎng)指標(biāo)（體重、體長(zhǎng)、體高、頭長(zhǎng)和尾柄高等）顯著高于 D2雙倍型（S1：AG，S2：AT，S3：AT）。以上結(jié)果表明，尼羅羅非魚(yú)ghrelin基因3個(gè)SNP位點(diǎn)完全連鎖，D1雙倍型與快長(zhǎng)性狀密切相關(guān)，可作為尼羅羅非魚(yú)分子標(biāo)記輔助育種的候選標(biāo)記。

來(lái)源出版物：水生生物學(xué)報(bào)， 2016， 40(1)： 50-57

入選年份：2016

LncRNA作為ceRNA調(diào)控腫瘤的發(fā)生發(fā)展

連瑜，李夏雨，唐艷艷，等

摘要：DNA元件百科全書(shū)（encyclopedia of DNA elements，ENCODE）計(jì)劃的最新研究成果表明，人類(lèi)基因組中 90%以上的序列是可以轉(zhuǎn)錄的，但只有 1%～2%的序列用于編碼蛋白質(zhì)，人類(lèi)基因組轉(zhuǎn)錄的序列中絕大部分為長(zhǎng)鏈非編碼RNA（long non-coding RNA，lncRNA）。相對(duì)于蛋白質(zhì)編碼基因以及小分子RNA（如miRNA等），lncRNA的數(shù)量更多，調(diào)控基因表達(dá)的模式更加多樣和廣泛?，F(xiàn)有研究結(jié)果表明，lncRNA可通過(guò)RNA與蛋白質(zhì)相互作用、RNA與DNA相互作用、RNA與RNA相互作用等多種相互作用方式從表觀遺傳的修飾、轉(zhuǎn)錄及轉(zhuǎn)錄后等多個(gè)層面調(diào)控基因的表達(dá)。目前，人類(lèi)基因組中已經(jīng)被克隆和鑒定的lncRNA基因多達(dá)5萬(wàn)多個(gè)，但到目前為止只有很少部分lncRNA的生物學(xué)功能得到了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，盡管研究較少，這些已報(bào)道的lncRNA在惡性腫瘤等人類(lèi)疾病的治療和診斷中有著重要的潛在應(yīng)用前景。近年來(lái)越來(lái)越多的證據(jù)表明，lncRNA與miRNA及其下游靶基因之間的相互調(diào)控模式與腫瘤的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)，已成為腫瘤研究領(lǐng)域的一大熱點(diǎn)。miRNA作為一個(gè)轉(zhuǎn)錄后調(diào)控的重要因子，其活性可被lncRNA通過(guò)“海綿”吸附的方式調(diào)控，此類(lèi) lncRNA又被稱為競(jìng)爭(zhēng)性內(nèi)源 RNA（competing endogenous RNA，ceRNA）。lncRNA作為ceRNA競(jìng)爭(zhēng)性地與miRNA結(jié)合，從而調(diào)節(jié)編碼基因的蛋白質(zhì)水平，參與調(diào)控細(xì)胞的生物學(xué)行為。然而對(duì)于在腫瘤中發(fā)揮ceRNA功能的lncRNA目前仍知之甚少。本文將討論lncRNA→miRNA→mRNA調(diào)控網(wǎng)絡(luò)這一新的基因調(diào)控模式，綜述它們是如何通過(guò)相互作用參與基因的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控。

來(lái)源出版物：生物化學(xué)與生物物理進(jìn)展， 2016， 43(3)：219-225

入選年份：2016

原鈣粘蛋白基因簇調(diào)控區(qū)域中成簇的CTCF結(jié)合位點(diǎn)分析

翟亞男，許泉，郭亞，等

摘要：哺乳動(dòng)物中原鈣粘蛋白（Protocadherin，Pcdh）基因簇包含 50多個(gè)串聯(lián)排列的基因，這些基因形成3個(gè)緊密相連的基因簇（Pcdhα、Pcdhβ和Pcdhγ），所編碼的原鈣粘蛋白質(zhì)群在神經(jīng)元多樣性（neuronal diversity）和單細(xì)胞特異性（singlecell identity）以及神經(jīng)突觸信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中發(fā)揮重要作用。前期的工作已證實(shí)轉(zhuǎn)錄因子CTCF（CCCTC-binding factor）與CTCF結(jié)合位點(diǎn)（CTCF-binding site，CBS）的方向性結(jié)合能夠決定增強(qiáng)子和啟動(dòng)子環(huán)化的方向以及其遠(yuǎn)距離交互作用的特異性，并進(jìn)一步在Pcdh基因座（Loeus）形成2個(gè)（Pcdhα和Pcdhγ）染色質(zhì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)域（CTCF/cohesin-mediated chromatin domain，CCD），而且染色質(zhì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)域?qū)τ诳刂苹虮磉_(dá)調(diào)控至關(guān)重要。本文通過(guò)生物信息學(xué)方法對(duì)比人類(lèi)和小鼠序列，發(fā)現(xiàn)Pcdhβγ染色質(zhì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)域調(diào)控區(qū)域中的DNase I超敏位點(diǎn)（DNase I hypersensitive sites，HSs）較為保守。染色質(zhì)免疫沉淀及大規(guī)模測(cè)序?qū)嶒?yàn)（Chromatin immunoprecipitation and massive parallel sequencing，ChIP-Seq）揭示 CBS位點(diǎn)在Pcdhβγ調(diào)控區(qū)域中成簇分布并且具有相同的方向。凝膠電泳遷移實(shí)驗(yàn)（electrophoresis mobility shift assay，EMSA）確定Pcdhβγ調(diào)控區(qū)域內(nèi)具體的42 bp CBS位點(diǎn)并且發(fā)現(xiàn)一個(gè)CTCF峰包含2個(gè)CBS位點(diǎn)。在全基因組范圍內(nèi)，運(yùn)用計(jì)算生物學(xué)方法分析CTCF和增強(qiáng)子、啟動(dòng)子等調(diào)控元件的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)CBS位點(diǎn)在調(diào)控元件附近有較多分布，推測(cè)CTCF通過(guò)介導(dǎo)增強(qiáng)子和啟動(dòng)子的特異性交互作用，在細(xì)胞核三維基因組內(nèi)形成活性轉(zhuǎn)錄樞紐調(diào)控基因精準(zhǔn)表達(dá)。

來(lái)源出版物：遺傳， 2016， 38(4)： 323-336

入選年份：2016