系统生物学-合成生物学与转录组学

人工生命—artificiallife2007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.Genometransplantationinbacteria:changingonespeciestoanother天然完整基因组种间转移:Asasteptowardpropagationofsyntheticgenomes,wecompletelyreplacedthegenomeofabacterialcellwithonefromanotherspeciesbytransplantingawholegenomeasnakedDNA.IntactgenomicDNAfromMycoplasmamycoides（蕈状支原体）largecolony(LC),virtuallyfreeofprotein,wastransplantedintoMycoplasmacapricolum（山羊支原体）cellsbypolyethyleneglycol(PEG)-mediatedtransformation.Cellsselectedfortetracyclineresistance,carriedbytheM.mycoidesLCchromosome,containthecompletedonorgenomeandarefreeofdetectablerecipientgenomicsequences.ThesecellsthatresultfromgenometransplantationarephenotypicallyidenticaltotheM.mycoidesLCdonorstrainasjudgedbyseveralcriteria.---Science.2007Aug3;317:632-8合成基因组---Science论文Science2July2010:Vol.329.no.5987,pp.52-56CreationofaBacterialCellControlledbyaChemicallySynthesizedGenomeDanielG.Gibson,1JohnI.GlassetalWereportthedesign,synthesis,andassemblyofthe1.08–mega–basepairMycoplasmamycoidesJCVI-syn1.0genomestartingfromdigitizedgenomesequenceinformationanditstransplantationintoaM.capricolumrecipientcelltocreatenewM.mycoidescellsthatarecontrolledonlybythesyntheticchromosome.TheonlyDNAinthecellsisthedesignedsyntheticDNAsequence,includingwatermarksequencesandotherdesignedgenedeletionsandpolymorphisms,andmutationsacquiredduringthebuildingprocess.Thenewcellshaveexpectedphenotypicpropertiesandarecapableofcontinuousself-replication.合成生命的关键步骤FirstSelf-ReplicatingSyntheticBacterialCell20-May-20101)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Thesecretaminoacidmessagescontainedinwatermarksthatwereembeddedintheworld’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Transcriptomics转录组学Transcriptome:Anevolvingdefinition(Thepopulationof)mRNAsexpressedbyagenomeatanygiventime(Abbott,1999)•转录组（Transcriptom）：细胞所包含mRNA的总和。与基因组不同的是，转录组的定义中包含了时间和空间的限定。•转录组学（Transcriptomics）：研究细胞在某一功能状态下所含mRNA的类型与拷贝数；比较不同功能状态下mRNA表达的变化，搜寻与功能状态变化紧密相关的重要基因群。新定义Thecompletecollectionoftranscribedelementsofthegenome.(Affymetrix,2004)mRNArRNA,tRNAsnmRNAs(smallnon-messengerRNAs)microRNAsandsiRNAs(smallinterferringRNAs)snoRNAs(smallnucleolarRNAs)核仁小分子RNAsnRNAs(smallnuclearRNAs)Othernon-codingRNAsLongnon-codingRNA(lncRNA)转录本AlltranscriptsAllmRNAsTranscriptomicsDefinitionThestudyofcharacteristicsandregulationofthefunctionalRNAtranscriptpopulationofacell/sororganismataspecifictime.ScopethepopulationoffunctionalRNAtranscripts.themechanismsthatregulatetheproductionofRNAtranscriptsdynamicsofthetrancriptome(time,celltype,genotype,externalstimuli)一、转录组学研究全部RNA的表达及功能转录组（transcriptome）指特定状态下一种细胞或组织所能转录出来的所有RNA的总和。——包括编码RNA，即mRNA和非编码RNA(non-codingRNA,ncRNA)转录组学（transcriptomics）：是在整体水平上研究细胞基因转录情况及转录调控规律的科学。RNA组学（RNomics）：是分析、鉴定非信使小RNA（smallnon-messengerRNA,snmRNA）在特定状态下表达情况、功能及其与蛋白质的相互作用。转录组的特点：受到内外多种因素的调节，因而是动态可变的。能够揭示不同物种、不同个体、不同细胞、不同发育阶段及不同生理病理状态下的基因差异表达信息。基于测序：cDNA文库、illumina测序基于杂交：cDNA芯片（GeneChip，microarray）基因表达聚类转录组学的研究方法（一）微阵列是大规模基因组表达谱研究的早期主要技术大规模表达谱或全景式表达谱（globalexpressionprofile