系统生物学-基因组研究进展

近年来基因组学研究重大进展新一代基因组学DNA测序速度在过去30年中以几何级数递增

二代DNA

测序-焦磷酸芯片光点测序参见：Metzker

ML,

Genetics，2010

，11:31-46.Illumina测序系统生物学的飞速发展1)2)3)4)海量化:立体化:

DNA,

MeDNA,

mRNA,蛋白质全程化:不同发育阶段网络化:整合两份私人基因组图问世2007年5月31日，在美国休斯敦贝勒医学院举行的一场仪式上，沃森收到了一张记载着自己基因组数据的光盘。为DNA双螺旋结构的发现者之一沃森测序的活动是由454生命科学公司和贝勒医学院共同发起的。这是“首个以少于100万美元的费用测定的个人基因组”。基因组测序的先驱CraigVenter的个人基因组也已经测序.他们两人的基因组数据都已存入公开的基因数据库GenBank中。人类个体基因差异远超预期马里兰洲JC.文特尔研究所的研究人员将文特尔

个人的基因组顺序与已发表的两份人类基因组

图比较发现,文特尔的基因组草图有410万个位

点不同于”参照”的图譜,远高于预期.文特尔说:”在分析我的基因编码后,就连我的眼

睛是不是蓝色都不能100%肯定.我们原以为这

很简单”.研究发现,文特尔有三个据信可降低心脏病风险

的基因,但也有增大心脏病风险的变异基因.

----美国<<科学公共图书馆生物学>>,

2007,

92008年启动国际千人基因组测序计划The

1000

Genomes

Project,

launched

in

January

2008,

is

an

international

research

effort

to

establish

by

far

the

most

detailed

catalogue

of

human

genetic

variation.

Scientists

plan

to

sequence

the

genomes

of

at

least

one

thousand

anonymous

participants

from

a

number

of

different

ethnic

groups

within

the

next

three

years,

using

newly

developed

faster

and

less

expensive

sequencing

technologies.

The

project

unites

multidisciplinary

research

teams

from

institutes

around

the

world,

including

Britain,

China

and

the

UnitedStates.

Each

will

contribute

to

the

enormous

sequence

dataset

and

to

a

refined

human

genomemap,

which

will

be

freely

accessible

through

public

databases

to

the

scientific

community

and

the

general

public

alike./千人测序计划研究人员找出了１０００多万个大大小小的基因变种，其中约８００万个都是前所未知的。对于人群携带率在１％以上的基因变种，本次研究的覆盖率达到９５％以上，得出了迄今最详尽的基因多态性图谱。这一成果在医学等领域有很高的应用价值，比如通过参照图谱，可以方便地找出致病的基因变种。研究人员验证了在大型基因研究中综合使用多种基因测序手段的可行性。由于基因测序成本目前仍很高昂，如果能在“精测”一些基因序列的同时，对另一些基因序列只需“粗测”就能保证最终结果的准确性，将可以大幅降低基因测序研究的成本。TheUK10KConsortiumKlaudiaWalter,JosineL.Min,JieHuang,LucyCrooks,YasinMemari,ShaneMcCarthy,JohnR.B.Perry,ChangJiangXu,MartaFutema,DanielLawson,ValentinaIotchkova,StephanSchiffels,AudreyE.Hendricks,PetrDanecek,RuiLi,JamesFloyd,LouiseV.Wain,InêsBarroso,SteveE.Humphries,MatthewE.Hurles,EleftheriaZeggini,JeffreyC.Barrett,VincentPlagnol,J.BrentRichards,CeliaM.T.Greenwood,NicholasJ.Timpson,RichardDurbin&NicoleSoranzoPCSK9

前蛋白转化酶枯草溶菌素92015年7月24日，美国FDA批准赛诺菲与再生元制药的Praluent（Alirocumab）注射液，这是在美国获批的首个前蛋白转化酶枯草溶菌素9（PCSK9）抑制剂类降胆固醇治疗药物2015年9月30日赛诺菲/再生元的降胆固醇药物Praluent获欧洲药品管理局批准，用于降低某些对他汀类药物不敏感或不耐受患者的胆固醇水平。2015-08-31，FDA批准安进PCSK9抑制剂RepathaPCSK9是一种分泌型丝氨酸蛋白酶，其可导致肝细胞表面LDL受体（LDL-R）减少，进而使肝细胞对LDL-C颗粒清除能力下降。2003年，法国研究者在胆固醇升高与早发心脏病家族中发现了PCSK9。这些家族均存在PCSK9基因突变，导致PCSK9蛋白过度表达，使患者的LDL-C排出量远低于非突变人群。家系研究表明，PCSK9基因增益突变可导致LDL-C大幅度升高和冠心病性死亡；而PCSK9基因无效突变则使LDL-C降低28%，15年内心血管事件死亡和心肌梗死的危险降低88%。英国推进“十万基因组计划”有望终结化疗迄今为止，化疗仍是治疗癌症的主要途径，但副作用较大，因此有必要找到对人体伤害较小的替代疗法。绘制基因组图谱有助于将来顺利找到癌症的替代疗法，而正确掌握基因组图谱也有利于癌症以及其他疑难病症的诊断、预防和治疗。癌症基因测序方面已经有所收获，目前已经研制出多款专门针对某一种特定癌症的药物，譬如治疗乳腺癌的赫赛汀等。新“十万基因组计划”的推进和实施，有望使癌症研究实现进一步突破。如果该计划能全面深入实行下去，并取得重大成功，化疗将成为历史。有专家预计，20年后，化疗将退出历史舞台。癌症基因组计划1)

2006年8月，由美、加、英等国发起的癌症基因组计划在美国宣布启动。通过大规模的测序来建立肿瘤全基因组的突变谱，从而阐明各类肿瘤的基因组变异规律和发病机制的关系。2)

2008年4月29日，多国科学家参与的国际癌症

基因组协作组(ICGC)组织成立.该组织计划

通过统筹各国和地区专家的合作，用10年时

间，针对50种癌症,化费10亿美金,绘制较为

完整的致癌基因突变图谱。GENIE

基因组、证据、肿瘤形成、信息和交流已有7家研究中心加入进来，包括MSKCC、波士顿达纳—法伯癌症研究所、巴尔的摩约翰斯·霍普金斯大学以及加拿大和欧洲的3家机构。GENIE将使研究人员得以分享这些罕见的治疗案例，并且达到他们作出明确结论所需的数据。该项目还会揭示影响患者预后的突变。基因组计划的意义基因组学已经成为现代生命科学的核心领域,

催生了许多新兴的生命科学的分支学科与交叉学科:1)

所有生命现象的基本原因均与基因组的结构与顺序组成有关.2)

基因组的结构与顺序组成决定了基因的表达与调控的模式.3)

基因组顺序的多态性是生物进化与生物多样性产生的根源.4)

基因组结构与功能的解读可为医学,

健康,

农

业,

林业,

畜牧业,

医药工业的发展和技术创

新提供理论依据.遗传性疾病健康风险用药安全遗传特征北极熊基因组通过比较北极熊和棕熊的基因组，揭示出北极熊是比以前认为的要更年轻的一个物种，其与棕熊在不到50万年前发生了分歧。分析结果还揭示出了与北极熊能够极端适应北极地区生活相关的几个基因。这一物种在其生命的大多数时候都生活在海冰上，它主要靠食用海洋哺乳动物一类富含脂肪的食物为生。北极熊拥有一些基因，使得它们能够靠脂肪过量的饮食生存——而无需担心这种食谱所伴随的那些人类疾病。北极熊与毛色相关的基因发生了变异。事实上，发生变异的基因区域与一种叫做契-东综合症的人类疾病有关，该疾病会导致皮肤和眼睛中的色素缺失。该研究准确地指出了与脂肪酸代谢和心血管功能相关的一些基因，或许能够解释北极熊可以处理高脂饮食，避免形成动脉脂肪斑块以及心血管疾病的能力。而高脂饮食的人类常饱受心血管疾病的折磨。这些基因或许能够提供一些关于如何保护人类避免高脂饮食不良影响的见解。基因组学的进展正在改变基因的传统定义thedefinitionofagene:ageneisaunionofgenomicsequencesencodingacoherentsetofpotentiallyoverlappingfunctionalproducts.什么是基因:基因组中一段连续的序列,它们编码一

组顺序彼此重叠的具有潜在功能的产物,称为联合

基因。Genome

Res.

17:669-681,

2007联合基因的结构人工生命—artificial

life2007年6月美国科学家克雷格•文特尔和他领导的研究小组宣布，他们首次实现了完整的基因组在物种间的移植，这一成功为首个「人造生命」的降生奏响了序曲。

文特尔说，这次成功让他向着制造出首个「人造生命」又迈进一步，他将在几个月内利用人工合成的基因组展开类似的移植试验，实现科研史上零的突破。如果试验成功，文特尔就能宣布他造出全球第一个「合成生命」形式。2010年5月20日J.CraigVenterInstitute(JCVI),anot-for-profitgenomicresearchorganization,publishedresultstodaydescribingthesuccessfulconstructionofthefirstself-replicating,syntheticbacterialcell.Theteamsynthesizedthe1.08millionbasepair(1080kb)chromosomeofamodifiedMycoplasmamycoidesgenome.ThesyntheticcelliscalledMycoplasmamycoidesJCVI-syn1.0andistheproofofprinciplethatgenomescanbedesignedinthecomputer,chemicallymadeinthelaboratoryandtransplantedintoarecipientcelltoproduceanewself-replicatingcellcontrolledonlybythesyntheticgenome.ThisresearchwillbepublishedbyDanielGibsonetalintheMay20theditionofScienceExpressandwillappearinanupcomingprintissueofScience.Genome

transplantation

in

bacteria:

changing

one

species

to

another天然完整基因组种间转移:

As

a

step

toward

propagation

of

synthetic

genomes,

we

completely

replaced

the

genome

of

a

bacterial

cell

with

one

from

another

species

by

transplanting

a

whole

genome

as

naked

DNA.

Intact

genomic

DNA

from

Mycoplasma

mycoides（蕈状支

原体）large

colony

(LC),

virtually

free

of

protein,

was

transplanted

into

Mycoplasma

capricolum（山羊支原体）

cells

by

polyethylene

glycol(PEG)-

mediated

transformation.

Cells

selected

for

tetracycline

resistance,

carried

by

the

M.

mycoides

LC

chromosome,

contain

the

complete

donor

genome

and

are

free

of

detectable

recipient

genomic

sequences.

These

cells

that

result

from

genome

transplantation

are

phenotypically

identical

to

the

M.

mycoides

LC

donor

strain

as

judged

by

several

criteria.---

Science.

2007

Aug

3;

317:632-8合成基因组---Science论文Science

2

July

2010:

Vol.

329.

no.

5987,

pp.

52

-

56Creation

of

a

Bacterial

Cell

Controlled

by

a

ChemicallySynthesized

GenomeDaniel

G.

Gibson,1

John

I.

GlassetalWereportthedesign,synthesis,andassemblyofthe1.08–mega–basepairMycoplasma

mycoidesJCVI-syn1.0genomestartingfromdigitizedgenomesequenceinformationanditstransplantationintoaM.capricolumrecipientcelltocreatenewM.

mycoidescellsthatarecontrolledonlybythesyntheticchromosome.TheonlyDNAinthecellsisthedesignedsyntheticDNAsequence,including"watermark"sequencesandotherdesignedgenedeletionsandpolymorphisms,andmutationsacquiredduringthebuildingprocess.Thenewcellshaveexpectedphenotypicpropertiesandarecapableofcontinuousself-replication.合成生命的关键步骤FirstSelf-ReplicatingSyntheticBacterialCell20-May-2010

1)合成供体的基因组DNA：首先，将蕈状支原体的全基因组测序，并按照该序列信息将其合成为1078条平均长度为1080bp的DNA片段。这些片段两两间具有80bp的部分重叠，所有片段拼接起来构成蕈状支原体的全长基因组。值得注意的是这些合成的片段较天然基因组略有一些改动，包括去除了14个不重要的基因、为阻断基因而设计的两个插入序列、27处单核苷酸多态性(其中19处在意料之中)以及4条用来区分于天然序列模本的“水印”标记(Watermark)，这些改动都不影响细胞正常的生命活动。该过程涉及到计算机对合成序列的精密计算。2)合成DNA片段的拼接：将以上合成的1078条DNA片段分别连接到载体，使其能在酵母细胞中通过同源重组拼接起来。于是，平均1080bp的DNA片段，10个一组拼接为大约10kb的片段(109个)，然后将这些连接有目的基因片段的载体从酵母中分离出来，转入大肠杆菌E.coli中进行扩增，以限制酶筛选出阳性克隆；之后再将阳性克隆质粒中的这109条10kb左右的片段按同样的方法每组10个拼接成100kb的片段(11个)；这11条片段最终拼接成完整的总共1077947bp的基因组(由于携带太大片段的载体在E.coli中不能稳定传代，因此后两步拼接中采用多重PCR来筛选阳性克隆)。此过程除了2个衔接反应是在体外用酶处理构建，其余所有的片段都是在酵母细胞内依靠同源重组拼接而成。3)人工基因组的甲基化修饰：由于供体细胞(蕈状支原体)和受体细胞(山羊支原体)共用同一套限制酶系统，而天然的供体基因组是经甲基化修饰的。因此，拼接完成的基因组DNA还需在体外用甲基化酶(从蕈状支原体或山羊支原体提取物中纯化)进行修饰，以避免受体细胞限制酶系统的阻碍。4)人工基因组移植入受体细胞：将构建好的人工合成基因组移植入山羊支原体内。细胞经过不断分裂传代，具有人造基因组的细胞在含抗生素的培养基中筛选出来，同时含有天然DNA的细胞逐渐消失殆尽。最终只剩下含有山羊支原体细胞质但由合成DNA控制的人工嵌合体细胞。虽然蕈状支原体和山羊支原体在基因组上75%是同源的，但该人造细胞明显表现出蕈状支原体的生长特性。合成生命操作图解

取名

Synthia:人造儿创造这个可复制的试验性单细胞生物花费了4,000万美元人工合成基因组中的水印Thesecretaminoacidmessagescontainedin"watermarks"thatwereembeddedintheworld’sfirstmanmadebacterialgenome.NCBIcheckedintothegeneticsequencesubmittedbyVenter’sInstituteandfoundthewatermarkshiddeninplainsight.ThefivecodedmessagesthatwillgodowninhistoryasembeddedinthefirstsyntheticgenomeVENTERINSTITVTECRAIGVENTERHAMSMITHCINDIANDCLYDEGLASSANDCLYDE代表5个作者:CraigVenter,HamiltonSmith,JohnGlass,ClydeHutchison人工基因组组装与检测合成基因组结构图非编码RNA的组成及其功能过去数年研究表明，所有经研究的真核生物基因组转录的比

率远远超出预期，达到60%以上.随之产生了数量相当庞大

的非编码RNA（ncRNA)(注:不编码蛋白质的mRNA).这些

ncRNA中的许多分子都具有调节功能。研究发现ncRNA对真核细胞基因表达及细胞生物学功能的调控涉及多种水平:dsRNA,双链RNA；HMT,组蛋白甲基转移酶；HP1,异染色质蛋白1；PAR,启动子相关RNA；PcG,

Polycomb群蛋白质；RISC,

RNA诱导的沉默复合体RITS,

RNA诱导的转录基因沉默；siRNA,小干扰RNA；TFIIB,转录因子IIB；UCE,超保守元件。Cell

130,

September

7,

2007ENCODE：人类基因组计划的后时代ENCODE是“DNA组成元素百科全书”的缩写，是继人类基因组计划之后的又一大型国际合作项目。来自英国、美国、西班牙、新加坡和日本32个研究机构的442名科学家历时5年，耗资1.5亿美元，获得了迄今最详细的人类基因组分析数据ncRNA的功能图解

神经细胞

如何分化?

miR-124

控制一个

庞大的基

因表达调

节网络（A）在非神经元细胞或神经祖细胞中，miR-124不表达或低表达，因此阻遏神经元特异的转

录和选择性剪切的因子得以有效表达，非神经元的基因群也同样处于表达状态。（B）在正处于分化状态的神经元细胞中，miR-124的表达量增加，受其调控的阻遏因子的表

达量因此发生下调，相应的神经元特异蛋白得以表达，非神经元基因群此时在miR-124的直接调控下表达量下调。见:NatureNeuroscience12,399-408(2009)绝大多数ncRNA的调控只起微弱的作用Thousands

of

proteins

affected

by

miRNAsBut

the

most

intriguing

finding

from

the

studies

isthat

the

effects

of

miRNAs

on

proteins

areusually

quite

modest,

changing

their

expressionlevels

by

less

than

twofold.The

data

paint

a

picture

of

miRNAs

as

regulators

that

fine-tune

protein

expression

in

complex

and

overlapping

patterns.

That

could

complicatehe

picture

for

drug

developers,

because

most

miRNAs

have

so

many

different

targets.Nature.

2008

Jul

31;454(7204):562增强子与

eRNA2010年5月13日Nature杂志报道小鼠神经细胞基因增强子可转录,将其产物称之为eRNA(enhancer

RNA).Β-球蛋白基因LCR与ncRNA确证脊椎动物基因组的2R假说2R假说认为，在无颌类脊椎动物（jawless

vertebrate）出现之前和出现之后分别出现过

一次全基因组的加倍，即脊椎动物有过两次全

基因组加倍(见pp316)

.2008年6月完成文昌鱼的基因组序列测序.对文昌

鱼和脊椎动物基因组中保留下来的17个先祖脊

索动物连锁群进行染色体虚拟重建.结果证实

在有颌类脊椎动物演化过程中,确实发生了两

轮全基因组加倍现象。2R假说是正确的.Nature

453,

1064-1071,

2008基因组的结构特点C值悖理基因组DNA的顺序组成顺序复杂性基因与基因家族真核基因组与原核基因组基因组DNA的顺序组成1)单一顺序:基因组中只有单拷贝的顺序;2)中度重顺序:拷贝数在1—10万,长度50-1000bp在基因组中分散分布3)高度重复顺序:串接排列,拷贝数达数百万,离心时形成卫星带.不同物种基因组顺序组成1)2)3)4)

重叠基因

基因套基因(gene

in

gene)

反义基因

分裂基因(由两段非连续DNA组成的基因)特殊结构基因φX174基因组中的重叠基因人类线粒体基因组重叠基因人类和老鼠核基因组重叠基因人类INK4a/ARF基因座含两个重叠基因:p14/ARF和p16/INK4a.这两个基因分别由两个独立的启动子调控,共享外显子2和3,p14/ARF含外显子1β,

p16/INK4a含外显子α.人类VLCAD和DLG4基因的重叠人类基因组中两个反相重叠的基因:VLCAD和DLG4.水稻核基因组的重叠基因水稻核基因编码的线粒体sdhB和rps14蛋白由同一基因编码,

rps14基因位于sdhB基因的内含子中.基因内基因--人类NF1基因第27内含子含3个独立表达的基因人类神经成纤维细胞瘤1(neurofubromatosis1)基因编码GTPase的激酶,是致癌基因RAS的负调控因子,长350

kp,60个内含子,蛋白质产物2839

aa.

27号内含子编码3个独立表达的基因.多重可选启动子基因果蝇求爱基因(fru)有4个启动子:果蝇求爱4步曲:

雄果蝇发现异性的存在，便追上去。然后“温柔的触碰”，用前腿轻轻地敲打雌果蝇的身体，促使对方释放出信息素——昆虫的催情药。第三步是“唱情歌”，雄果蝇伸出一只翅膀，以特定的方式振动，发出特殊的声音。一只正常的雄果蝇，会花上两分钟来完成这前三个步骤

.第四步则是”云雨之欢”.耶鲁大学的Kulbir

Gill在研究雌性不育的问题时发现,

有一群基因变异的雄果蝇不仅追求异性，也追求同性，而且会回应同性的追求。而普通的雄果蝇不会主动追求同性，在被同性追求时会抗拒。Gill为此把这个基因叫做fruity，即美国俚语里的“男同性恋”.

Jeff

Hall给该基因改名为更文雅的fruitless

.

普通雄果蝇(右)追逐雌果蝇；而fru基因变异的雄果蝇追求同性，有时它们会前后连成一串，每一只雄蝇都追求自己前面的那只雄蝇

.人类基因组中存在的反义基因a

set

of

computational

tools

designed

to

identify

sense-antisense

transcriptional

units

on

opposite

DNA

strands

of

thesame

genomic

locus.

The

resulting

data

set

of

2,667

sense-antisense

pairs

was

evaluated

by

microarrays

containingstrand-specific

oligonucleotide

probes

derived

from

the

regionof

overlap.

Verification

of

specific

cases

by

northern

blotanalysis

with

strand-specific

riboprobes

proved

transcriptionfrom

both

DNA

strands.

We

conclude

that

60%

of

this

data

set,or

1,600

predicted

sense-antisense

transcriptional

units,

aretranscri