多维度基因组信息:起源、内涵与技术瓶颈
发布时间：2022-01-03 00:19
近年来发展起来的染色体多维结构研究很快就遇到了概念盲区和技术瓶颈,有必要在较高级的思维层次加以澄清和深入探讨.虽然生命可能起源于操作（基因组DNA以外的大小生物分子）而非信息（基因组DNA）,但是当DNA被选择来承载信息后（或同时）,其操作和平衡功能又分别在不同层面上（不同谱系、物种、细胞、染色质、基因）以不同程度体现出来,比如参与平衡的物质不仅包括DNA和RNA大分子也包括脱氧核苷酸、核苷酸、修饰核苷衍生物等小分子以及可识别的结构单元包括染色质区域、转座子、染色体结构元件等.正是这些物质和结构的动态变化和交叉关联构成了多维度的生命活动.这些活动的机械化学、时间空间界定及对其规律的探索和研究,构成了复杂的基因调控体系,从中衍生出由简到繁、由表及里、纵横交错的核心生物学元素和这些元素所构成的科学问题.
【文章来源】：中国科学:生命科学. 2020,50(05)北大核心CSCD
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
植物(如有花植物)和动物(如脊椎动物)基因组结构与基因结构均有诸多不同.脊椎动物基因组有两类结构不同的基因:基因簇(几个基因形成共调控单元,占基因总数的70%以上)(A)和超大型基因(>500 kb,占基因总数的5%左右)(B).人类基因的平均大小(mean)是100 kb(双尖头实线线标注).由于重复序列(主要是BDR一类;灰色箭头所示)不断插入到基因内部(内含子中),脊椎动物的基因在谱系变演过程中呈不断增大的趋势.C:有花植物基因组的结构主要是基因簇,而重复序列主要插入到基因间区(灰色箭头,距离基因的远近表示插入时间上的差异;外显子数量和大小没有按对应大小画,仅为示意图).因此,脊椎动物基因组中主要部分为基因空间(虚线双箭头)几乎没有基因间区,而有花植物的基因间区(主要是LTR类重复序列)一般在50%(拟南芥和水稻)～95%(小麦和大麦)左右.基因簇和基因(大写罗马数字表示,横箭头代表基因长度和转录方向)外显子用竖直柱表示(在植物基因组中仅用粗箭头表示),内含子和基因空间为中央实线
再举一个例子来强调界定“五流”主体的意义,那就是生物医学最前沿的恶性肿瘤研究.尽管就基因组信息维度而言,肿瘤学属于正常生命周期与相应病理现象比较的第五个维度,但是就“五流”思维框架而言,肿瘤生物学的本质或主体仍是分室流.虽然有“癌症是遗传病(强调原癌基因变异)”“癌症是环境病(强调致癌物因素)”“癌症是代谢病(强调代谢失调)”等说法,但几十年来癌症研究权威性总结指出的十种特征(hallmarks)都是细胞层面的现象[29,30],是细胞在“五流”框架下的不同分子机制(如DNA损伤和转录调控)和细胞过程(如能量代谢途径)的种种异化[31],并伴随原发后的器官转移和免疫逃逸等更高维度的变化来实现无限制增殖.因此,恶性肿瘤的分子生物学研究手段也多以细胞模型和动物模型为基础.本文还要举另外一个例子来强调“五流”思维和多维基因组信息的分层并不是某种拼凑和牵强附会.比如宏基因组(metgenomics)研究的实质是以第八维基因组信息为基线,以平衡流为主体的“五流”研究,是生物圈体系下的超种群(或称跨种群)微生物群体的生态研究.宏基因组首先是在生物圈历史性地相对固化[32],然后在地表圈和地球外圈中的大气圈、水圈和生物圈物中持续变演,再与物中个体共生形成特有的微环境宏基因组.由于在一个相对固化的环境里,构成宏基因组的微小生物(包括微小原生动物、单细胞真核生物、古细菌、真细菌和各类寄生性病毒)之间有频繁的基因、代谢产物和生化信号分子交流,其“五流”主体之首是平衡流.然而,宏基因组的成员毕竟形成一个有机的生态环境,并具有一定的稳定性和可变性且与生态环境息息相关,因此其信息具有较高的维度.例如生活在自然环境中的蜱虫宏基因组,经过数代无菌条件下的人工繁殖,从拥有来自29个门1153个属4625个物种减少到来自8个门69个属的70物种[33].这个结果展示出了在这个微小的生态圈里,微生物物种间的“和谐”和物种内的“排斥”——70个物种来自69个属.不仅如此,寄生在同一天然物种(如田鼠)的蜱虫具有比宿主更多样宏基因组[33,34].因此,不能说这样的变化不是一个独特而又有意义的“生态圈”,它带有环境和物种本身的诸多信息,对疾病的防控具有不可忽视的科学价值.
【参考文献】：
期刊论文
[1]Whole Genome Analyses of Chinese Population and De Novo Assembly of A Northern Han Genome[J]. Zhenglin Du,Liang Ma,Hongzhu Qu,Wei Chen,Bing Zhang,Xi Lu,Weibo Zhai,Xin Sheng,Yongqiao Sun,Wenjie Li,Meng Lei,Qiuhui Qi,Na Yuan,Shuo Shi,Jingyao Zeng,Jinyue Wang,Yadong Yang,Qi Liu,Yaqiang Hong,Lili Dong,Zhewen Zhang,Dong Zou,Yanqing Wang,Shuhui Song,Fan Liu,Xiangdong Fang,Hua Chen,Xin Liu,Jingfa Xiao,Changqing Zeng. Genomics,Proteomics & Bioinformatics. 2019(03)
[2]分子进化的基本化学规律[J]. 赵玉芬,卢奎. 厦门大学学报(自然科学版). 2001(02)
本文编号：3565176
【文章来源】：中国科学:生命科学. 2020,50(05)北大核心CSCD
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
植物(如有花植物)和动物(如脊椎动物)基因组结构与基因结构均有诸多不同.脊椎动物基因组有两类结构不同的基因:基因簇(几个基因形成共调控单元,占基因总数的70%以上)(A)和超大型基因(>500 kb,占基因总数的5%左右)(B).人类基因的平均大小(mean)是100 kb(双尖头实线线标注).由于重复序列(主要是BDR一类;灰色箭头所示)不断插入到基因内部(内含子中),脊椎动物的基因在谱系变演过程中呈不断增大的趋势.C:有花植物基因组的结构主要是基因簇,而重复序列主要插入到基因间区(灰色箭头,距离基因的远近表示插入时间上的差异;外显子数量和大小没有按对应大小画,仅为示意图).因此,脊椎动物基因组中主要部分为基因空间(虚线双箭头)几乎没有基因间区,而有花植物的基因间区(主要是LTR类重复序列)一般在50%(拟南芥和水稻)～95%(小麦和大麦)左右.基因簇和基因(大写罗马数字表示,横箭头代表基因长度和转录方向)外显子用竖直柱表示(在植物基因组中仅用粗箭头表示),内含子和基因空间为中央实线
再举一个例子来强调界定“五流”主体的意义,那就是生物医学最前沿的恶性肿瘤研究.尽管就基因组信息维度而言,肿瘤学属于正常生命周期与相应病理现象比较的第五个维度,但是就“五流”思维框架而言,肿瘤生物学的本质或主体仍是分室流.虽然有“癌症是遗传病(强调原癌基因变异)”“癌症是环境病(强调致癌物因素)”“癌症是代谢病(强调代谢失调)”等说法,但几十年来癌症研究权威性总结指出的十种特征(hallmarks)都是细胞层面的现象[29,30],是细胞在“五流”框架下的不同分子机制(如DNA损伤和转录调控)和细胞过程(如能量代谢途径)的种种异化[31],并伴随原发后的器官转移和免疫逃逸等更高维度的变化来实现无限制增殖.因此,恶性肿瘤的分子生物学研究手段也多以细胞模型和动物模型为基础.本文还要举另外一个例子来强调“五流”思维和多维基因组信息的分层并不是某种拼凑和牵强附会.比如宏基因组(metgenomics)研究的实质是以第八维基因组信息为基线,以平衡流为主体的“五流”研究,是生物圈体系下的超种群(或称跨种群)微生物群体的生态研究.宏基因组首先是在生物圈历史性地相对固化[32],然后在地表圈和地球外圈中的大气圈、水圈和生物圈物中持续变演,再与物中个体共生形成特有的微环境宏基因组.由于在一个相对固化的环境里,构成宏基因组的微小生物(包括微小原生动物、单细胞真核生物、古细菌、真细菌和各类寄生性病毒)之间有频繁的基因、代谢产物和生化信号分子交流,其“五流”主体之首是平衡流.然而,宏基因组的成员毕竟形成一个有机的生态环境,并具有一定的稳定性和可变性且与生态环境息息相关,因此其信息具有较高的维度.例如生活在自然环境中的蜱虫宏基因组,经过数代无菌条件下的人工繁殖,从拥有来自29个门1153个属4625个物种减少到来自8个门69个属的70物种[33].这个结果展示出了在这个微小的生态圈里,微生物物种间的“和谐”和物种内的“排斥”——70个物种来自69个属.不仅如此,寄生在同一天然物种(如田鼠)的蜱虫具有比宿主更多样宏基因组[33,34].因此,不能说这样的变化不是一个独特而又有意义的“生态圈”,它带有环境和物种本身的诸多信息,对疾病的防控具有不可忽视的科学价值.
【参考文献】：
期刊论文
[1]Whole Genome Analyses of Chinese Population and De Novo Assembly of A Northern Han Genome[J]. Zhenglin Du,Liang Ma,Hongzhu Qu,Wei Chen,Bing Zhang,Xi Lu,Weibo Zhai,Xin Sheng,Yongqiao Sun,Wenjie Li,Meng Lei,Qiuhui Qi,Na Yuan,Shuo Shi,Jingyao Zeng,Jinyue Wang,Yadong Yang,Qi Liu,Yaqiang Hong,Lili Dong,Zhewen Zhang,Dong Zou,Yanqing Wang,Shuhui Song,Fan Liu,Xiangdong Fang,Hua Chen,Xin Liu,Jingfa Xiao,Changqing Zeng. Genomics,Proteomics & Bioinformatics. 2019(03)
[2]分子进化的基本化学规律[J]. 赵玉芬,卢奎. 厦门大学学报(自然科学版). 2001(02)
本文编号：3565176
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