起航三维基因组学研究-科学网—博客.PDF

2014 年 第 59 卷 第 13 期： 1165 ~ 1172 《中国科学》杂志社 特邀评述 SCIENCE CHINA PRESS 起航三维基因组学研究 ①* ①* ② ② 李国亮 , 阮一骏 , 谷瑞升 , 杜生明 ① 华中农业大学生命科学技术学院, 系统生物学中心, 武汉 430070; ② 国家自然科学基金委员会生命科学部, 北京 100085 * 联系人, E-mail: guoliang.li@; yijun.ruan@ 2014-03-11 收稿, 2014-03-17 接受, 2014-04-14 网络版发表 中央高校基本科研业务费(2662014PY001)资助 摘要 人类基因组测序完成已有十多年. 但是, 基因组信息如何指导基因在特定空间和时间 关键词 表达的机理仍有待阐明. “结构决定功能”是认识自然规律中的一个共识. 在生物学中, 这一 三维基因组学 共识不仅适用于 RNA 、蛋白质等小规模的有机分子, 同样也应该适用于全基因组这样的 ChIA-PET Hi-C DNA 大分子. 最近的研究表明, 基因组的三维空间结构对基因组的表达、调控等功能有重要 的影响. 因此, 研究全基因组的三维空间结构和功能成为基因组学一个新发展趋势. 基因组 三维空间结构与功能的研究简称三维基因组学, 是指在考虑基因组序列、基因结构及其调控 元件的同时, 对基因组序列在细胞核内的三维空间结构, 及其对基因转录、复制、修复和调 控等生物过程中功能的研究. 随着大规模基因组测序技术的发展, 我们已经拥有研究三维基 因组的相关技术如ChIA-PET 和Hi-C. 初步的ChIA-PET 和Hi-C 数据分析展示了基因组三 维空间结构对基因组功能的意义, 为进一步研究基因组三维空间结构和功能提供了基础. 本 文总结了三维基因组学研究的发展, 概括了三维基因组学研究中的问题和目前的进展, 并讨 论了可能的应用前景. 登高更见远, 期待三维基因组学研究将深化对生命现象和规律的认 识, 为基础生物学发展带来新契机、为更进一步推动生物医学及农业应用打下坚实的基础. 1 基因组学发展的两次浪潮 且发现了几十万个不同的基因调控元件, 并对基因 [2] 表达和染色质状态进行了定义 . 近二十多年来, 基因组学从启动至今, 经历了两 次大的发展浪潮. 第一次基因组学发展浪潮以人类 2 即将到来的基因组学第三次浪潮——三 基因组计划为代表. 从 1990 年到2003 年, 该计划对 维基因组学研究 人类基因组进行了测序, 定义了人类基因组中的主 要基因及其线性结构, 同时极大地发展了基因组测 在有了基因组序列、调控元件和相关的注释以后, 序技术, 为其他物种的研究提供了基础, 并开启了基 科学家们发现, 这些离散的调控元件并不能有效地 [1] 解释很多基因的调控结果和机制. 科学家们面临一 因组学时代 . 第二次基因组学发展浪潮以“人类基因组百科全 个迫切需要解决的问题: 基因组中的调控元件是如 书计划”为代表. 从 2003 年开始, 该计划对人类基因 何相互作用, 从而起到对基因表达的调控. 组 DNA 序列进行系统地解读和注释, 分析了 147