生物学基础学科

CRISPR/Cas系统：RNA靶向的基因组定向编辑新技术

李君，张毅，陈坤玲，等

摘要：CRISPR/Cas系统广泛存在于细菌及古生菌中，是机体长期进化形成的RNA指导的降解入侵病毒或噬菌体DNA的适应性免疫系统。对 Ⅱ 型CRISPR/Cas系统的改造使其成为继锌指核酸酶（ZFNs）和TALE核酸酶（TALENs）以来的另一种对基因组进行高效定点修饰的新技术，与ZFNs和TALENs相比，CRISPR/Cas系统更简单，并且更容易操作。文章重点介绍了Ⅱ型CRISPR/Cas系统的基本结构、作用原理及这一技术在基因组定点修饰中的应用，剖析了该技术可能存在的问题，展望了CRISPR/Cas系统的应用前景，为开展这一领域的研究工作提供参考。在现代生物学研究中，基因组编辑（genome editing）技术是人们了解特定基因功能的基础。随着越来越多物种全基因组测序的完成，科学家们面临的一个挑战就是如何从海量的数据中获得基因功能和应用信息，基因组的定点编辑技术是实现这个目标的重要研究工具，为此也被《Science》评为2012年十大重要科学进展之一。近年来兴起的基因组定点编辑技术包括以下几种人工核酸酶：锌指核酸酶（zinc-finger nucleases，ZFNs），TALE核酸酶（transcription activator like effector nucleases，TALENs），以及近一年来兴起的一项新技术——CRISPR/Cas系统（CRISPR/Cas system）。这些人工核酸酶都可以在DNA靶位点产生DNA双链断裂（double strand breaks，DSBs），它们对基因组定点编辑是通过控制DNA的修复途径实现的，DNA损伤后产生的 DSBs激活细胞内固有的非同源末端连接（nonhomologous ending-joining，NHEJ）或同源重组（homologous recombination，HR）两种不同的修复机制对损伤的DNA进行修复，从而实现对基因组的定点编辑。

来源出版物：遗传， 2013， 35(11)： 1265-1273

入选年份：2016

基于密度泛函理论方法的核酸碱基拉曼光谱研究

吴雷，李菲，金周雨，等

摘要：核酸是重要的生物大分子之一，在生命活动中起着至关重要的作用，作为遗传信息的载体，参与遗传信息在细胞内的传递和表达，从而促进并控制代谢过程的进行。核酸碱基是核酸分子的重要组成部分，它的一些化学反应，例如卤代、脱氮、氧加成、烷基化和氰基化等反应是核酸储存信息和传递信息的基础，也是生物体遗传、进化和变异的根本原因，所以研究核酸碱基分子的一些性质对于研究生物体的行为以及生物活性等具有重要的意义。拉曼光谱是一种指纹光谱，一直是鉴别物质和分析物质结构的重要方法，具有快速、无损伤的检测特点，已应用于在线检测的研究中拉曼光谱技术的发展，克服了红外光谱中水分子强吸收的干扰及空间分辨率低的问题，成为生命科学及医学研究领域强有力的研究手段而被广泛使用。目前很多科研人员选择拉曼光谱作为主要技术手段研究核酸碱基以及核酸碱基的同系物，为进一步研究核酸分子的结构变化以及分析核酸分子在生物体行使活性行为过程中所起的作用提供了大量的实验数据和直接证据。密度泛函理论（density functional theory，DFT）是利用电子密度泛函取代波函数来研究、描述化学体系的性质、结构以及能量等的一种计算化学方法，由于DFT计算结果精确、计算方法简便，常常被用来从理论上计算和预测已知构象的分子振动光谱，能够获得分子的几何结构、化学键性质、振动能级等方面的信息。通过对腺嘌呤、胞嘧啶、鸟嘌呤、胸腺嘧啶和尿嘧啶等进行了拉曼光谱的研究，并且利用DFT方法优化腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶、胸腺嘧啶和尿嘧啶的分子结构，然后对这5种核酸碱基的分子内化学键振动进行了量化计算，利用获得的结果对5种碱基的拉曼谱峰进行了指征，为以后进一步利用拉曼光谱研究核酸分子的结构信息奠定了理论基础。

来源出版物：生物化学与生物物理进展， 2016， 43(3)：281-290

入选年份：2016

尼罗罗非鱼ghrelin基因的多态性及其与生长性状相关SNP位点的筛选

王春晓，卢迈新，高风英，等

摘要：尼罗罗非鱼吉富品系（Oreoehromis niloticus，GIFT strain）是由4个亚洲养殖尼罗罗非鱼品系和4个非洲原产地的尼罗罗非鱼品系进行混合选育获得的优良品系，其生长速度显著高于其他罗非鱼养殖品种，是我国目前养殖区域分布最广的罗非鱼品种，具有重要的经济价值。为了研究尼罗罗非鱼（Oreoehromis niloticus）生长激素促分泌素基因（ghrelin）的多态性及其与生长的相关性，研究以2个尼罗罗非鱼群体（快长群体和基础群体）的DNA样本各40份为模板，通过PCR扩增和测序获得ghrelin基因序列。通过Dnasp v5和MEGA 5.0分析序列多态性、筛选有效 SNP位点；采用 Snapshot法对2个群体子代ghrelin基因中SNP位点进行基因分型，然后分析SNP位点基因型与生长性状的相关性。结果表明，快长群体ghrelin基因中的单核苷酸变异位点数（S）比基础群体要少，而核苷酸多态性（Pi）和平均核苷酸差异数（K）要略高于基础群体。共筛得 3个有效SNP位点（S1、S2和S3），均分布于第1个内含子中。遗传结构分析表明，3个SNP位点在2个群体的子代中均为低度多态性位点（PIC＜0.25），但处于 Hardy-Weinberg平衡（P＞0.05）；快长群体子代中3个SNP位点的观测杂合度、期望杂合度和多态信息含量等遗传多样性参数均小于基础群体子代的相应值，3个SNP位点的遗传多样性参数、基因型和基因频率在同一群体中高度一致，SNP位点之间完全连锁。2个群体子代中3个SNP位点处的优势基因型相同，但快长群体子代中优势基因型频率要明显大于基础群体子代中相应基因型频率。对2个群体子代的生长性状与SNP基因型进行关联性分析的结果表明，尼罗罗非鱼个体的多项生长指标（体重、体长、体高、头长和尾柄高等）在不同基因型中存在显著差异（S1：GG＞AG，S2：T＞AT，S3：AA＞AT）（P＜0.05）。D1双倍型（S1：GG，S2：T，S3：AA）所对应的尼罗罗非鱼个体的多项生长指标（体重、体长、体高、头长和尾柄高等）显著高于 D2双倍型（S1：AG，S2：AT，S3：AT）。以上结果表明，尼罗罗非鱼ghrelin基因3个SNP位点完全连锁，D1双倍型与快长性状密切相关，可作为尼罗罗非鱼分子标记辅助育种的候选标记。

来源出版物：水生生物学报， 2016， 40(1)： 50-57

入选年份：2016

LncRNA作为ceRNA调控肿瘤的发生发展

连瑜，李夏雨，唐艳艳，等

摘要：DNA元件百科全书（encyclopedia of DNA elements，ENCODE）计划的最新研究成果表明，人类基因组中 90%以上的序列是可以转录的，但只有 1%～2%的序列用于编码蛋白质，人类基因组转录的序列中绝大部分为长链非编码RNA（long non-coding RNA，lncRNA）。相对于蛋白质编码基因以及小分子RNA（如miRNA等），lncRNA的数量更多，调控基因表达的模式更加多样和广泛。现有研究结果表明，lncRNA可通过RNA与蛋白质相互作用、RNA与DNA相互作用、RNA与RNA相互作用等多种相互作用方式从表观遗传的修饰、转录及转录后等多个层面调控基因的表达。目前，人类基因组中已经被克隆和鉴定的lncRNA基因多达5万多个，但到目前为止只有很少部分lncRNA的生物学功能得到了实验验证，尽管研究较少，这些已报道的lncRNA在恶性肿瘤等人类疾病的治疗和诊断中有着重要的潜在应用前景。近年来越来越多的证据表明，lncRNA与miRNA及其下游靶基因之间的相互调控模式与肿瘤的发生发展密切相关，已成为肿瘤研究领域的一大热点。miRNA作为一个转录后调控的重要因子，其活性可被lncRNA通过“海绵”吸附的方式调控，此类 lncRNA又被称为竞争性内源 RNA（competing endogenous RNA，ceRNA）。lncRNA作为ceRNA竞争性地与miRNA结合，从而调节编码基因的蛋白质水平，参与调控细胞的生物学行为。然而对于在肿瘤中发挥ceRNA功能的lncRNA目前仍知之甚少。本文将讨论lncRNA→miRNA→mRNA调控网络这一新的基因调控模式，综述它们是如何通过相互作用参与基因的转录后调控。

来源出版物：生物化学与生物物理进展， 2016， 43(3)：219-225

入选年份：2016

原钙粘蛋白基因簇调控区域中成簇的CTCF结合位点分析

翟亚男，许泉，郭亚，等

摘要：哺乳动物中原钙粘蛋白（Protocadherin，Pcdh）基因簇包含 50多个串联排列的基因，这些基因形成3个紧密相连的基因簇（Pcdhα、Pcdhβ和Pcdhγ），所编码的原钙粘蛋白质群在神经元多样性（neuronal diversity）和单细胞特异性（singlecell identity）以及神经突触信号转导中发挥重要作用。前期的工作已证实转录因子CTCF（CCCTC-binding factor）与CTCF结合位点（CTCF-binding site，CBS）的方向性结合能够决定增强子和启动子环化的方向以及其远距离交互作用的特异性，并进一步在Pcdh基因座（Loeus）形成2个（Pcdhα和Pcdhγ）染色质拓扑结构域（CTCF/cohesin-mediated chromatin domain，CCD），而且染色质拓扑结构域对于控制基因表达调控至关重要。本文通过生物信息学方法对比人类和小鼠序列，发现Pcdhβγ染色质拓扑结构域调控区域中的DNase I超敏位点（DNase I hypersensitive sites，HSs）较为保守。染色质免疫沉淀及大规模测序实验（Chromatin immunoprecipitation and massive parallel sequencing，ChIP-Seq）揭示 CBS位点在Pcdhβγ调控区域中成簇分布并且具有相同的方向。凝胶电泳迁移实验（electrophoresis mobility shift assay，EMSA）确定Pcdhβγ调控区域内具体的42 bp CBS位点并且发现一个CTCF峰包含2个CBS位点。在全基因组范围内，运用计算生物学方法分析CTCF和增强子、启动子等调控元件的关系，发现CBS位点在调控元件附近有较多分布，推测CTCF通过介导增强子和启动子的特异性交互作用，在细胞核三维基因组内形成活性转录枢纽调控基因精准表达。

来源出版物：遗传， 2016， 38(4)： 323-336

入选年份：2016