计算与系统生物学

• 1、DNA错配修复系统作用机制研究 （毕利军组）
• 2、基因组DNA稳定性研究（杭海英组）
• 3、非编码基因及其相关的调控网络（陈润生组）
• 4、染色质可塑性与基因组稳定性（焦仁杰组）
• 5、钙跨膜转运的分子机制及调节（姬广聚组）
• 6、利用人胚胎干细胞进行心肌组织工程修复（马跃组）
• 7、基于离子通道的新型生物传感器的研究（靳刚组）
• 8、流感进化的规律及分子机制的计算生物学模拟（蒋太交组）
• 9、coiled-coil 相互作用组的研究（蒋太交组）

1、DNA错配修复系统作用机制研究

毕利军组

（1）DNA错配修复（Mismatch Repair，MMR）系统研究

① 利用纳米/分子生物传感器开展MMR系统中MutS蛋白与错配DNA分子的作用行为研究，揭示DNA错配修复过程中错配碱基的识别机制；

②
通过研究DNA错配修复蛋白与复制酶亚基之间的相互作用，建立DNA修复和复制系统中多个蛋白间相互作用网络，揭示DNA错配修复与复制过程的耦联机制；

③
完成了MMR系统中解螺旋酶UvrD与不同类型DNA分子的动力学研究，在单分子水平上观测到UvrD的DNA解螺旋过程。完成了四种核酸外切酶的克隆、表达和功能鉴定。通过上述研究揭示错配修复终止分子机制；

④
通过利用错配修复蛋白MutS对体外分子进化中突变子的高效分离和富集，提高突变或重组的比例，从而减少筛选的工作量，并提高有意义突变的比例，此研究已经获得初步结果；

⑤ 基因组信息学研究显示，结核杆菌中未发现在其它生物中普遍存在的DNA
系统的同源基因。我们通过确定结核杆菌中是否存在错配修复系统，然后利用垂钓等方法寻找错配修复蛋白组分，从而回答结核杆菌中是否有DNA
MMR系统，如果存在，其组成和作用机制是什么？如果不存在，结核杆菌又是通过那种途径来维护其基因组稳定性的，其效率又如何等问题。

（2）结核杆菌耐药性机理研究

结核病是严重的全球性传染疾病。结核杆菌的各种基因突变导致相应的耐药性，其DNA旋转酶作为药物靶点的研究越来越受到重视。我们在晶体结构学的基础上，进一步揭示了结核杆菌DNA旋转酶A亚基的C端结构域在该酶催化反应中的作用，鉴定了DNA旋转酶A亚基的C端结构域中的DNA结合位点，并提出该结构域是结核分枝杆菌中潜在的药物设计的作用部位。同时开展了结构与功能的相关性研究。目前已经得到DNA旋转酶B亚基的C末端晶体，衍射收到一套数据，正在解析结构。

2、基因组DNA稳定性研究

杭海英组

（1）采用小鼠条件基因敲除技术，发现细胞周期监控点基因Rad9是抑癌基因。Rad9敲除纯合小鼠皮肤不会自发长瘤。但涂抹癌诱变剂BMDA在Rad9敲除纯合小鼠皮肤上高频诱发乳头瘤（13/14），而野生小鼠的肿瘤发生率则要低得多（3/14）。同时还检查到Rad9敲除的皮肤角质细胞基因组变得不稳定。基因组变得不稳定可能是Rad9敲除纯合小鼠易发癌症的内在原因；

（2）用免疫共沉淀与质谱相结合，发现Rad9蛋白与多种参与DNA修复、细胞周期调控及染色质重塑蛋白质因子相互作用。用酵母双杂交和pulldown证明这些相互作用直接的。正在对这些相互作用的功能意义进行研究。

3、非编码基因及其相关的调控网络

陈润生组

总的是发现新的非编码RNA，研究它们的生物学功能，发现其表达调控的新规律，构建有非编码RNA参与的新的生物网络。具体是：

（1）在以前的工作中我们已在线虫上发现了100个全新的非编码RNA（Genome Research 16: 20-29, 2006;
NCBI accession number: AY948555-- AY948719）,
并证实其中很多基因是在线虫发育的不同时期表达的。因此我们的第一个任务是确定这些新非编码RNA的功能及其表达调控的规律；

（2）拟以人类为对象发现更多的非编码RNA；

（3）迄今为止尚未见包含非编码RNA的生物网络研究，我们的第三个研究内容就是要构建由蛋白质和非编码RNA两类物质为节点的新网络（简称：双色网络），并研究其性质。

4、染色质可塑性与基因组稳定性

焦仁杰组

（1）我们证明在人类细胞中WRN与CAF-1大亚单位hp150存在功能相互作用（文章已发表在Oncogene）；

（2）我们已经证明dCAF-1-p180在组织染色质结构中至关重要。dCAF-1-p180对果蝇发育至关重要。它的突变可以通过影响染色质的构建而影响基因的表达和基因组的稳定性；dCAF-1-p180的功能改变还与果蝇的生殖能力有关；dCAF-1-p180缺失或过多表达会使细胞停止生长或执行apoptosis。（文章已提交）dCAF-1另外两个亚基的突变株正在制备中。

（3）我们已得到CG9613基因的果蝇突变株。初步结果显示该基因可能与细胞生长和抗氧化能力有关。目前正在检测它与Insulin信号通路的关系；

（4）我们已获得果蝇dRecQ4和dRecQ5的突变株，它们在维持基因组稳定性中的可能功能正在研究中；

（5）合作项目包括：

① 我们的实验结果表明Bcd的调节基因表达的活性可能与HDAC等染色质重构因子有关；（马骏）

② dCAF-1等蛋白复合物的结构解析；（孙飞）

③ dHDAC6如何质控α-synuclein及其与Parkinson’s病的关系；（王志珍）

④ 5HT酪氨酸受体激酶在睡眠、好斗及抑郁症等行为方面的功能；（饶毅）

⑤ Knock-in Dos点突变研究它与14-3-3的体内相互作用；（罗金才）

⑥ RNAi转基因果蝇库的建立。（Barry Dickson）。

5、钙跨膜转运的分子机制及调节

姬广聚组

（1）细胞膜和胞内的许多受体/通道及其调节蛋白（如RYRs、 IP3Rs、
FKBP、cADPR及PKA等）在细胞的信息传递、生理功能的保持等方面发挥着重要作用。位于肌质网(SR)和内质网 （ER）上的Ca²⁺
释放受体由Ryanodine受体( RYR )和IP3受体(IP3R)组成。 这些受体(或通道)调控细胞内Ca²⁺
的释放， 进而调节着细胞的多种生物学效应，如肌肉收缩、卵细胞受孕、
激素分泌以及细胞凋亡等。FKBP12.6为FK506的结合蛋白，我们的研究结果表明， FKBP12.6选择性与心肌SR上RYR2结合，
对心肌钙诱发的钙释放（CICR）发挥重要的调节作用。我们发现，在平滑细胞上
FKBP12.6同样对RYR2的钙释放功能发挥着重要调节作用。同时，我们的预实验也提示所有钙释放受体的亚型在胰岛均有表达。

（2）目前我们在RYR(ryanodine receptor)调节蛋白FKBP12.6 基因敲除对心肌、平滑肌细胞Ca²⁺
释放受体功能影响、钙释放受体在发育期心肌细胞的表达及功能、
FK506结合蛋白对β-细胞钙释放及胰岛素分泌影响、以及胚胎干细胞分化心肌细胞一些受体/蛋白的表达和功能研究方面，
已取得大量的实验数据，并获得一些非常有意义的新发现， 发表论文3篇（见后）。

6、利用人胚胎干细胞进行心肌组织工程修复

马跃组

本研究的目标是创建一个以人胚胎干细胞为基础的心肌细胞移植方法来治疗心力衰竭。通过用移植的心肌细胞来修复和替代坏死心肌组织，以达到改善损伤心脏的功能的目的。为了达到这一目标，我们将主要解决以下技术问题：

（1）如何高效的将人胚胎干细胞分化成心肌细胞;

（2）如何从分化的人胚胎干细胞中分离纯化心肌细胞；

（3）如何将心肌细胞移植到心脏并使之存活；

（4）如何对细胞移植的患者（或动物）进行生理评估；

（5）如何确保细胞移植的安全性。

（6）如何大规模培养人胚胎干细胞，并诱导分化成心肌细胞。

7、基于离子通道的新型生物传感器的研究

靳刚组

随着各领域对检测灵敏度和精度要求的不断提高，目前的生物传感器已越来越不能满足需要。我们的研究工作针对离子通道这一特殊膜分子进行改造，偶合特意感应部分，构建成一种具有特意感应和自身放大功能的分子耦合器件，为发展新型的生物传感器奠定研究基础。

（1）构建Kv2.1-xyz离子通道，膜片钳技术检测其功能。

（2）拼接出hKcsA基因，构建hKcsA离子通道。

（3）构建SBP-Kv1.2,SBP-linker-Kv1.2, SBP-Kv1.2-30AA,SBP-linker-Kv1.
2-30AA, Kv1.2-SBP,Kv1.2-linker-SBP,Kv1.2-30AA–SBP,
Kv1.2-30AA-linker-SBP离子通道，检测以上通道的可调控性。

（4）构建Kv1.2-cmyc离子通道。

（5）构建Kv1.3-xyz离子通道，膜片钳技术检测其功能。

（6）构建Kv1.3 C 端缺失型离子通道，和Kv1.3-Cter–cmyc融合离子通道。

（7）构建cmyc-Kv1.4 离子通道。

（8）负责平台原子力显微镜的管理工作。在进行技术支持的同时，主要进行了DNA与蛋白的相互作用、端粒DNA以及特殊蛋白的形貌及结构的研究工作。通过原子力显微镜力谱技术的应用为所内外的许多研究课题提供了积极的帮助。

测定脑脊液(CSF)中tau蛋白的含量可能是有前途辅助AD早期诊断以及预测MCI转归的生物学标志物之一。靳刚、赫荣乔课题组合作开展CSF-tau的研究，利用自主研制的无标记蛋白质芯片技术，探讨CSF-tau蛋白对于痴呆的早期诊断、鉴别诊断等作用。

同时，为推进所内纳米生物学研究工作的开展，开展协助和合作。

8、流感进化的规律及分子机制的计算生物学模拟

蒋太交组

（1）利用流感的全基因组序列，我们建立了模拟流感演化的新模型。这个模型对预测流感流行，疫苗制备和防治流感将会发挥重要作用。而且，通过模型的分析，我们发现流感流行的新规律。目前该文在送投中。

（2）与流感中心合作，通过计算机建模，我们发现导致03-04年人流感严重致病性的分子机制。该文正在准备之中。

9、coiled-coil 相互作用组的研究

蒋太交组

coiled coil是一个相对简单的蛋白质超二级结构，由2个或以上的α螺旋组成的超螺旋结构。在自然界中，coiled
coil是一个介导蛋白质相互作用或形成蛋白质骨架的非常通用的结构域。许多研究表明，尽管coiled
coil的链都是?螺旋，但它们之间的相互作用的专一性非常高。功能研究表明，coiled
coil的专一性的相互作用在病毒传染、膜融合和基因转录等生理途径中发挥重要作用。我们的研究目标是通过计算与实验相结合的方法在整个蛋白质组水平上预测由特定结构域，coiled
coil介导的蛋白质之间相互作用。在理论计算部分，我们已经综合数据挖掘的一般方法构建了一个由coiled-coil蛋白参与的蛋白质网络；目前正在发展预测coiled
coil专一性相互作用的方法。在实验部分，我已经从酵母的基因组中克隆了近600个coiled
coil链，并利用酵母双杂交分析了coiled-coil蛋白质相互作用对中的coiled
coil相互作用。目前，正在发展荧光蛋白片断重组和蛋白质芯片等方法来实验确证酵母双杂交的结果。这是我实验室目前在系统生物学方面开展的一个大课题。