亚洲国家和地区染色体研究领域最新进展——第三届亚洲染色体讨论会纪实

遗俗HEREDITAS(Beijing)2009年4月,31(4):445—449

ISSN0253?9772WWW.chinagene.cn

DoI:10.3724/SP.J.1005.2009.00445

亚洲国家和地区染色体研究领域最新进展——第三届亚洲染色体讨论会纪实

李洪杰1,张学勇1,金危危2,马有志1

1.中国农业科学院作物科学研究所,国家农作物基因资源与基因改良重大科学工程,北京100081;2.中国农业大学,国家玉米改良中心,北京100193

第三届亚洲染色体讨论会于2008年12月1日一4日在日本大阪大学举行。来自日本、中国、韩国、印度、土耳其、新西兰、新加坡、马来西亚、印度尼西亚、泰国、墨西哥、中国台湾等12个国家和地区的140多位科学家和研究生出席了会议。我国来自中国农业科学院、中国农业大学、中国科学院植物研究所等11位代表参加。大会邀请了12位在动植物染色体研究卓有成就的科学家,围绕(1)染色体研究的新技术;(2)基因组与染色体进化;(3)染色体研究在医学和农业上的应用等内容做了主题报告。另有52位科学家在分组会议上进行了专题报告,报告分为动物染色体;生殖过程、细胞分裂中的染色体行为;哺乳动物细胞中染色体运动的机制;异常染色体:染色体结构;染色体组装的分子调控;禾谷类和园艺植物染色体工程;单子叶和双子叶植物染色体;植物染色体进化等专题。还有36项研究以墙报的形式在会议期间进行了交流。中国农业大学金危危教授、孙传清教授以“染色体着丝粒结构功能解析”和“野生稻在基因组研究中的应用”为题分别做了大会主题报告。中国农业科学院作物科学研究所张学勇研究员、李葆春博士、南京农业大学陈佩度教授、山东大学夏光敏教授、中国农业大学韩永华博士、中国农业科学院油料作物研究所魏文辉副研究员分别在分组会议上做了专题报告。我国在染色体结构与功能、染色体工程育种等方面研究的最新进展,受到与会各国科学家的高度关注。

1亚洲国家染色体研究的重要进展

1.1染色体研究最新进展

日本大阪大学现代科学和生物技术系福井希一(KiichiFukui)教授报告了染色体研究的最新进展。他的报告包括:(1)染色体的生物学界限和DNA空间位置。染色体臂的长度是有一定极限的,这是为了保证姐妹染色体单体能够分裂到子细胞中。无论基因组大小,核DNA的体积最大不会超过整个细胞核体积的3%;(2)介绍了染色体分为小型(S—type)染色体和大型染色体(L—type)的必要性。这种区分不仅反映了染色体的大小,而且还反映了分带方法、螺旋压缩方式,甚至染色单体在细胞核中的构型。借助图像分析系统,识别了一些小染色体植物,如水稻、油菜、拟南芥等。利用染色单体在细胞核分布的3.D分析技术,揭示了染色体中基因富集区域的分布特点;(3)蛋白组学方法被用于染色体结构的研究。利用免疫染色技术研究了染色体中蛋白的定位。根据蛋白在染色体上的性质和定位,将蛋白质分为4大类:壳蛋白(Coatingproteins,CCPs)、染色体外围蛋白(Chromosomeperipheralproteins,CPPs)、染色体结构蛋白(Chromosomestructuralproteins,CSPs)和染色体纤丝蛋白(Chromosomefibrousproteins,CFPs)…o据此,提出了染色体包装与4级结构模型。日本JibakLee,KazuhiroMaeshima、MihoOhsugiIKohtaTakahashi,KohtaTakahashi,HiroshiHosoya,IsseiMabuchi、GohtaGoshima和新加坡MohanK.Balasubramanian分别介绍了动植物有丝分裂和减数分裂中染色体的分离行为研究的最新进展。

在本次大会上。一些与会代表介绍了低剂量辐射对人类和动物造成的染色体畸变。这些研究的结果对于了解人类长期处于低剂量的辐射下可能造成的遗传疾病具有重要参考价值。

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逢付HEREDITAS(Beijing)2009第31卷

1.2染色体研究的新技术

日本新泻大学TatsuoUshiki教授介绍了一种新的人类染色体扫描探针显微技术(Scanningprobemicro.scope,SPM)拉J。SPM没有镜头,而是用一种探针来扫描样本的表面,从而检测探针和样本之间的物理性质。其中原子力显微技术(Atomicforcemicroscope。AFM)可以观察样本表面的拓扑结构。AFM可以在真空、空气和液体环境下研究固定或未固定的染色体结构。液体环境下观察避免了样本制备过程中造成的假象,因此,AFM技术克服了传统的扫描电镜技术无法保持染色体原始形态的缺陷,使得染色体形态的观察研究更加接近染色体的原初结构。大阪大学民谷泶一(EiichiTamiya)教授进一步将纳米技术与AFM技术相结合,创造出一种纳米/微装置(Nano/microde.vices),并应用于染色体片段的精细分离,他们制作了一种刀片探针切割染色体,然后通过痕量PCR扩增技术,构建染色体片段的生物芯片,从而分析目的基因【3】。这项技术在遗传学分析、临床诊断、药物筛选和环境检测等方面具有广阔的应用前景。

日本冈山大学KiyotakaNagaki教授报告了免疫染色技术和染色质免疫沉淀技术(Chromatinimmu—noprecipitation,CHIP)及其应用f4】。免疫染色技术将免疫学技术与染色体技术相结合,利用免疫学方法通过识别染色体上的组蛋白(H3)的修饰来确定染色质的状态。由于组蛋白修饰在真核生物中是高度保守的,所以,识别一种真核生物的组蛋白修饰的抗体可以用于另一种真核生物上。抗体可以很容易通过商业途径获得,勿需自行制备。这项技术与通常所用的FISH技术非常相似,因此操作起来比较容易。另外,在免疫染色之后,还可以通过FISH检测DNA,从而实现蛋白质和DNA同时检测。染色质免疫沉淀技术是另一种检测染色质状态的技术,可以研究从单核小体(150bp)至qJL个核小体(1kb)染色质的状态。纯化的DNA也可以用于DNA—chip分析(CHIP—chip)。这项技术不但可以研究特定位点的染色质状态,而且还可以研究整个基因组的状态。

日本神户大学NobukoOhmido教授介绍了高分辨率FISH技术在基因定位研究中的利用。随着小分子目标定位灵敏度的提高(在DNA纤丝上可检测小到50bp的DNA片段)和荧光信号空间分辨率的改善,加上染色体图像分析系统(CHIAS),发展起来的一种细胞核核酸和蛋白质观察新技术,可以跟踪染色

质在细胞周期中的动态变化。NobukoOhmido教授利用异染色质状蛋白1(LHPI)连接绿色荧光蛋白GFP,观察了烟草细胞周期中异染色质的动态变化。这项技术可以在着丝粒、端粒、异染色质,常染色质的组成以及植物染色体的动态结构等方面的研究中发挥比较大的作用。

日本鸟取大学MitsuoOshimura教授利用人类人工染色体(HACs)为载体进行基因治疗的试验,解决了常规基冈治疗过程中基因随机插入受体基因组而引起的潜在问题。HACs在游离状态下表现稳定,可以携带大的基因组位点及其调控元件。利用这项技术构建了人类14号和2l号染色体的HACs,这种新的HAC部包含内源基因。HAC连接GFP后用于转化小鼠ES细胞,获得嵌合体小鼠,HAC可以在后代中传递。这种HAC不但可以用于遗传紊乱的治疗,而且还可以创造含人类遗传物质的模式小鼠。

在这次研讨会中,3.D技术被应用于细胞核与染色体结构及其在细胞周期中的动态变化过程的研究。报告基因系统(如GPP等)与静态和动态图像处理系统相结合,揭示了一个基因或染色体区域在细胞分裂过程中随染色体的分离而发生的动态变化以及在细胞核中的空间分布规律。韩国外国语大学HyockmanKwon教授利用2D.和3D—FISH技术研究了肌动蛋白BAF53对染色体边界(Chromosometer—ritories,CTs)的形成和保持的作用。他发现DNA解环化是造成CTs扩展的一个因素。根据他的研究结果,BAF53对染色体功能单位和染色体结构的形成具有关键的作用。日本东北大学MasahikoHarata教授、日本国立遗传研究所TakanoriAmano研究员和日本神奈川综合研究大学院大学HideyukiTanabe教授对3D.FISH技术在染色体在细胞核中的空间分布、染色体之间的空间相对位置分别进行了讨论。1.3基因组与染色体进化

日本国立信息研究所和国立遗传研究所AsaoFujiyama研究员从大规模基因组分析和新一代测序技术对未来研究的影响等方面讨论了动物和人类的比较基因组学及系统的进化。他回顾了人类基因组计划的发展历史及其在生物学研究中的独特地位,这是一项设计6个国家20个研究机构的合作研究的典范。他介绍了流感嗜血杆菌、酵母、大肠杆菌、多细胞生物秀丽线虫基因组测序研究。他还介绍了测序技术的发展对人类基因组序列分析中的重要作用。最近

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第4期李洪杰等:亚洲国家和地区染色体研究领域最新进展一第三届亚洲染色体讨论会纪实

发展的大规模平行序列分析技术开创了生命科学的新篇章。新一代测序仪的费用比传统测序仪降低10%,而速度却提高1000倍。这样高效低耗操作可以使我们获得特定细胞类型的整个转录组学(Transcriptome)信息,或者检测引起表型变异的任何突变。他根据比较基因组学研究的结果对动物基因组结构和进化途径进行了比较,并介绍了新一代测序技术在分析染色体和基因组结构及其功能研究的可行性。

日本北海道大学YoichiMatsuda教授以禽类和爬行类动物性染色体分化为例,报告了分子细胞遗传学技术在脊椎动物比较基因组中的应用。禽类和爬行类动物核型的一个共同特征是它们的染色体都能分成大染色体和小染色体两组。他采用的策略是,首先构建爬行动物的cDNA文库,对部分cDNA克隆进行测序,寻找同源EST克隆,找出与鸡的基因相同源的爬行动物的同源序列,然后选择同源基因,再采用FISH技术将EST克隆定位在爬行动物的染色体上。他领导的研究组构建了中华鳖、暹罗鳄和日本四线锦蛇cDNA克隆的细胞遗传学染色体图谱,通过与鸡染色体图谱的比较,发现中华鳖与鸡染色体具有高度保守的同源性,鸡的z性染色体与中华鳖的6号染色体相似,鸡与暹罗鳄的一些染色体也具有高度保守的同源性。他还对性染色体起源和连锁同源性及其分化过程进行了讨论。

日本KojiroIshii领导的研究小组对芽生酵母(仅有3条染色体)的着丝粒缺失和再生机理进行系统研究,发现无着丝粒染色体可以通过与正常染色体的整合或着丝粒再生实现向后代的传递,为理解许多古多倍体(如禾米、大豆)的形成和基因组进化提供了新的思路,相关文章发表在《Science》杂志上15】。1.4染色体工程研究在动植物遗传改良中的应用在禾谷类作物染色体工程研究方面,京都大学远藤隆(TakashiEndo)教授介绍了山羊草属植物杀配子染色体引起的麦类作物基因组重排。以及创造缺失系和易位系研究的最新进展。杀配子染色体可以有效地诱发黑麦和大麦染色体断裂,从而促使其与小麦染色体的重排。利用FISH/GISH技术可以识别染色体的微小缺失。用这项技术可以创造“外缘染色体切割系”(Alien—chromosomedissectionlines),这种遗传材料不仅可以用来定位特定区域的外源基因和分子标记,而且还可以研究相同外缘染色体上功能基因。

大会还邀请了CIMMYT的MasahiroKishii博士介绍了CIMMYT染色体工程在小麦育种上的利用。目前,CIMMYT研究两个物种大赖草和百萨偃麦草。他们已经创造了一整套百萨偃麦草的附加系和lO个大赖草的附加系。CIMMYT对这些附加系的抗赤霉病和锈病、抗旱和抗盐碱性进行了研究,还发现了一种新性状(BiologicalNitrificationInhibition),可以减少温室气体N20的释放。利用phl突变体和单体系诱导染色体易位,创造育种上可以利用的材料。

印度药用和芳香类植物中央研究所UmeshC.Lavania教授就染色体研究在农作物和药用植物研究的利用做了专题报告。印度CSKHP农业大学HarinderKumarChaudhary教授介绍了分析单倍体育种和分子细胞遗传学技术在小麦育种上的利用。1.5基因组、转基因与染色体研究

在本次大会上,基因标记和转基因技术与细胞遗传学的结合,使传统的细胞遗传学技术有了新的用武之地。FISH技术被应用于转基因插入位点、时空表达、细胞核中的空间分布等方面的研究。日本大阪大学YasuhikoMukai教授报告了利用土壤农杆菌介导法,将小麦高分子谷蛋白亚基(IDx5+1Dylo)编码基因所在区域转入水稻基因组中,并用FISH技术进行整合区段的鉴定和分析。印度Ch.CharanSingh大学HarindraSinghBalyan教授介绍了小麦微卫星标记的整合物理图谱,在新的图谱中包括了2120个SSR和EST-SSR标记。

2中国科学家的研究受到广泛的关注

中国科学家不但在染色体工程育种方面的研究结果受到了与会各国代表的高度关注,而且在染色体结构研究方面也取得了很大的进步。南京农业大学陈佩度教授报告了创造抗白粉病和抗赤霉病小片段易位新种质的研究。利用辐射花粉技术创造出系列小麦.簇毛麦和小麦.大赖草易位系,综合采用细胞遗传学和分子标记技术精确地鉴定了易位系,这些材料在小麦育种中已经发挥了巨大的作用。山东大学夏光敏教授报告了利用非对称体细胞杂交技术转移外源基因。她利用细胞融合技术将长穗偃麦草的一些控制品质和抗盐特性的基因转移到普通小麦中,创造出一批新种质,个别已在生产中推广利用。西南大学梁国鲁教授介绍了三倍体无核枇杷的研究结果。他利用GISH技术揭示了三倍体枇杷的染色体组构成。

中国农业大学金危危教授报告了禾谷类作物着

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遗fi}HEREDITAS(Beijing)2009第31卷

丝粒的结构和功能研究结果,着丝粒通常包埋在大量高度重复的DNA序列中,一般包括着丝粒卫星0c—DNA和着丝粒专一的反转录转座子,两者通常相间排列。着丝粒的功能区的组蛋白H3由CENH3蛋白所替代。着丝粒功能区的染色质状态(DNA甲基化和蛋白质甲基化水平)不同于近着丝粒区域。中国农业科学院张学勇研究员报告了小麦着丝粒区的测序和功能分析的最新进展,发现小麦的着丝粒功能序列与水稻、玉米、高粱等作物明显不同,在多倍体形成过程中,发生强烈的扩展和转座,是不同基因组协同进化的重要基础;进一步证实了近着丝粒区域是多倍体中亚基因组分化的核心区域呻】。在此基础上,他的研究小组初步完成了小麦3B染色体着丝粒序列组成分析。中国农业大学孙传清教授报告了利用野生稻创造染色体片段导人系,进而进行重要植株形态建成、重要农艺性状和进化相关基因克隆方面的最新进展。其中包括最近发表于《NatureGenetics》上关于克隆控制野生稻匍匐生长习性的基因PROGl的工作【_7I。PROGI基因的发现和分离对揭示水稻进化的分子机理及研究水稻株型调控的分子基础具有十分重要的意义。中国农业大学韩永华博士报告了利用串联重复序列的FISH建立了黄瓜标准的细胞学核型,并结合FosmidFISH实现了黄瓜遗传连锁图与细胞学图的整合。

3中国染色体研究与亚洲先进国家的差距通过听取亚洲各国代表的报告和交流,我国在染色体工程的利用方面具有一定的优势,在染色体结构和功能研究方面已经开始取得重要的研究结果。但是,应当承认我们在总体研究规模、研究水平、技术手段、技术创新等方面与日本还是有很大的差距。日本的染色体研究在世界上一直处于前列,老一代日本科学家在染色体工程利用方面继续保持优势,年轻一代科学家在新技术、新方法方面展现出很强的势头。特别是近年来,日本科学家关于染色体功能和结构研究方面不断有高水平的结果出现,在《Science》、《Nature》等国际顶级杂志上经常能够看到日本科学家的研究论文。

从研究现状分析,我国在以下几个方面需要加强:(1)对染色体研究需要重新认识。以分子标记和转基因技术为代表的分子生物学技术飞速发展,已经在作物改良中发挥了巨大的作用。传统的细胞遗传学技术必须与现代分子生物学技术相结合,才能充分发挥其作用;(2)研究力量相对较弱。我国老一代科学家经过艰苦卓绝的努力,使我们在染色体工程利用方面走到了世界的前列,新一代科学家还没有形成一个研究的优势群体。日本已经形成一个动、植物染色体研究的群体,专门成立了染色体学会,无论在染色体研究的理论与应用,以及技术手段上均走在世界的前列;(3)受诸多因素的影响,长期以来,我们对染色体工程育种给予了一定的重视,而对染色体基础理论研究却没有给与足够的关注。另外,对关系国计民生的重要作物研究较多,而对于模式植物的研究较少。

建议我国应重新评估染色体研究的重要性,对于染色体应用研究继续给予高度的重视,加大支持力度,使我国在这一领域研究的应用研究继续保持优势,同时加快步伐在染色体的理论研究方面缩小与世界先进水平的差距。

经过第三届亚洲染色体研讨会组委会的讨论,一致同意第四届哑洲染色体研讨会(2010年)在中国北京举行,由中国科学院李振声院士担任组委会主席。

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