生物学前沿讲座2015

《生命科学前沿》化学与生命科学学院细胞生物学赵铁军联系方式：实验室：10幢403室电话：669130Email：[e-mail]个人简介：日本京都大学医学博士专业：分子病毒学日本学术振兴会博士后专业：血液内科学浙江师范大学校聘教授专业：分子细胞生物学美国国立卫生研究院（NIH）发表的一份题为《什么是当今科研领域的热门话题？》的调查报告中指出，目前全球研究最热门的是：三种疾病：癌症（cancer）心血管病（cardiovasculardiseases）爱滋病和肝炎等传染病（infectiousdiseases：AIDS，hepatitis）五大研究方向：细胞周期调控（cellcyclecontrol）细胞凋亡（cellapoptosis）细胞衰老（cellularsenescence）信号转导（signaltransduction）DNA的损伤与修复（DNAdamageandrepair）美国科学情报研究所（ISI）SCI（ScienceCitationIndex）收录及引用论文检索，全世界自然科学研究中论文发表最集中的三个领域分别是：细胞信号转导（signaltransduction）细胞凋亡（cellapoptosis）基因组与后基因组学研究（genomeandpost-genomicanalysis）Dollywithherfirstbornlamb克隆羊－多利（1996-2003）EMBRYOCOLONING克隆羊制备原理我们是“多利四羊组”1998年7月克隆牛（日本）2000年1月克隆猴（英国）forthediscoverythatmaturecellscanbereprogrammedtobecomepluripotent•iPS(诱导多能干细胞)InducedPluripotentStemCells通过采用导入外源基因的方法使体细胞去分化为多能干细胞，对于这类干细胞我们称之为诱导多能干细胞。2010年来自美国，日本的三个研究小组分别实现了将人体血细胞转化为iPS细胞的重要研究突破。我科学家在世界上首次利用iPS细胞培育出健康小鼠（2009年）STAPcells人类基因组计划TheHumanGenomeProject(HGP)CompletedinApril20031986年由美国生物学家杜伯克首次提出1990年10月美国投资30亿美元启动计划预计15年完成国际化研究项目美国、日本、英国、加拿大、瑞典1999年7月我国承担人类基因组1%测序任务2000年3月我国科学家完成3号染色体测序2000年5月人类基因组草图完成第三代测序技术（单分子实时DNA测序）“SingleMoleculeReal-Time(SMRT)DNASequencing”应用：基因组测序甲基化研究突变鉴定（SNP检测）饶子和中国科学家解析电子传递链复合物II三维结构fortheirdiscoveriesofmachineryregulatingvesicletraffic,amajortransportsysteminourcellsJamesE.RothmanRandyW.SchekmanThomasC.Südhof“发现细胞内的主要运输系统——囊泡运输的调节机制”vesicletrafficfortheirdiscoveriesofcellsthatconstituteapositioningsysteminthebrainJohnO'KeefeMay-BrittMoserEdvardI.Moser“发现构成大脑定位系统的细胞”forthedevelopmentofsuper-resolvedfluorescencemicroscopy研制出超分辨率荧光显微镜microRNA中心法则补充蛋白质编码基因数量人：30,000果蝇和线虫：12,000-14,000酿酒酵母：6,200假单孢菌：5,500人和鼠的蛋白质编码基因99%是共同的。人个体间单倍体基因组的碱基差异300万个，其中1万个（0.3%）出现在蛋白质编码基因中。98%转录产物是非编码蛋白RNA。•tRNA•rRNA•snRNA•tmRNA•RnasePRNA•vRNAs•gRNAs•MRPRNA•SRPRNAs•TelomeraseRNA•Transcription/chromatinstructureregulators•Post-transcriptionalregulators•Proteinfunctionmodulators•RNA/proteinlocalizationregulatorsRNATranscriptsmiRNAsiRNApiRNAlncRNAProtein-codingmRNANon-codingRNATranscriptssnoRNAsHousekeepingRNAsRegulatoryRNAs•Transcription/chromatinstructureregulators•Post-transcriptionalregulators•Proteinfunctionmodulators•RNA/proteinlocalizationregulatorsmiRNAsiRNApiRNAlncRNARegulatoryRNAsTypesofRNAnon-codingRNA(20-20000nt)smallnon-codingRNA(sncRNA)(20-500nt)longnon-codingRNA(lncRNA)(500-20000nt)有些小RNA分子能直接调控某些基因的开关从而控制细胞的生长发育并决定细胞分化的组织类型小RNA分子本身又包含了若干类RNA，根据小RNA的生成、结构和功能大约可分为以下几类：miRNA（microRNA)siRNA(smallinterferingRNA)piRNA(Piwi-interactingRNAs)qiRNA小RNADNARNA蛋白质基因组学RNA组学蛋白质组学micoRNA(miRNA)是广泛存在于真核生物中的一组短小的、不编码蛋白质的RNA家族，它们是由19-23个核苷酸组成的单链RNA（3‘端可有1~2个碱基长度的变化）表达具有组织特异性和阶段特异性。即：在不同组织中表达有不同类型的miRNA；在生物发育的不同阶段里有不同的miRNA表达与靶mRNA3’-UTR结合，序列特异性的在转录后水平调控基因的翻译表达，在生物发育、脂肪代谢、细胞的分化、增殖和凋亡等过程中发挥着重要作用miRNA具有高度保守性，即各种miRNA都能在其他种系中找到同源体；miRNA独有的特征：其5’端第一个碱基对U有强烈的倾向性，而对G却有抗性，但第二到第四个碱基缺乏U，一般来讲，除第四个碱基外，其他位置碱基通常都缺乏CmiRNA执行一定的生物学功能：对与其互补的mRNA表达水平具有调节作用；一些偏大的miRNA(27nt)可能参与了基因组的重组装参与生物的发育与多种生理、病理过程为什么miRNAs非常重要?microRNAs是一类新的基因调控因子某些miRNAs控制了动植物的发育理解miRNA的功能将有助于现在流行的siRNAmicroRNAs有可能成为新型的疾病标志物microRNAs可能具有重要临床应用价值实验结果：RNA干扰／基因沉默199320002001200220032004200520062007microRNA的研究历史Dr.VictorAmbros1993200020012002200320042005200620071993200020012002200320042005200620072001年命名为microRNA1993200020012002200320042005200620072002年入选《science》年度十大科学发现之首199320002001200220032004200520062007ThefirstdemonstrationofalinkbetweenmiRNAgenesandcancer.199320002001200220032004200520062007miRNAcontrolssomeplantphenotype199320002001200220032004200520062007ThefirststudytoreportonmiRNAprofilingusinganoligonucleotidemicrochip.Thefirstpapertoexplore,byusinggenome-widemiRNAprofilingbymicroarray,thepotentialimportanceofmiRNAsinthediagnosisandprognosisofahumanmalignancy199320002001200220032004200520062007ThefirstpapertoshowthatthederegulationofasinglemiRNAgenecanleadtocancer.199320002001200220032004200520062007SangerRelease10.0contains5071hairpinprecursormiRNAs,expressing4922maturemiRNAproducts,inprimates,rodents,birds,fish,worms,flies,plantsandvirusesinAugust2007microRNA的加工成熟与分布据体内外实验研究表明miRNA的生成需要两个步骤：1)由长的内源性转录本（pri-miRNA)经Drosha酶作用生成70nt左右的miRNA前体(pre-miRNA)，该过程发生在细胞核2)将pre-miRNA经Dicer酶作用加工为成熟miRNA，该过程发生在细胞质中。microRNA的加工成熟microRNA是动、植物自身基因组编码形成的一类小分子首先由基因组转录形成长链RNA分子——pri-miRNA约60%的microRNA为独立转录表达；约15%miRNA为成簇存在而共同转录；其余还有约25%的miRNA定位于功能基因内含子，随基因转录表达。Pri-miRNA经双链RNA核酸酶Drosha酶作用，加工形成70-100nt长度的pre-miRNAPre-miRNA在Exportin5介导作用下转运出胞核至胞质中进行下一步加工Pre-miRNA在胞质中经双链RNA核酸酶Dicer酶作用加工形成单链成熟miRNA分子siRNAmiRNApiRNAOverall,98of186(52.5%)ofmiRgenesareincancer-associatedgenomicregionsorinfragilesitesmicroRNA的分布microRNA的作用机制miRNA发挥作用过程19-23nt的成熟miRNA形成后与其他蛋白共同组成RNA介导的沉默复合体（RISC）参与RNA干扰途径miRNA形成RISC复合体后可与特定的靶mRNA结合，这种结合不要求严格的互补配对。结合后导致靶mRNA翻译的抑制翻译抑制5’endofthesmallRNA,2–8,knownasthe“seedregion”donothaveacomplexsecondarystructureandarelocatedinaccessibleregionsoftheRNAmicroRNA识别靶位点microRNA作用机制植物动物酵母、植物、或动物每个miRNA可以有多个靶基因，而几个miRNAs也可以调节同一个基因。这种复杂的调节网络既可以通过一个miRNA来调控多个基因的表达，也可以通过几个miRNAs的组合来精细调控某个基因的表达。随着miRNA调控基因表达的研究的逐步深入，将帮助我们理解高等真核生物的基因组的复杂性和复杂的基因表达调控网络。miRNA与siRNA的联系：均为Dicer的产物长度均为22