专家信息:
吴清发,中国科学技术大学生命科学学院教授,博士生导师。主要从事基因组和转录组学数据分析以及RNA沉默抗病毒机制研究、非编码RNA的签定和功能分析。
教育及工作经历:
1999年开始在中国科学院遗传与发育生物学研究所/北京基因组研究所攻读博士学位,作为技术骨干参与“人类基因组计划中国部分”的序列解析和数据分析工作。期间作为交流博士生,在丹麦哥本哈根大学Panum医学院功能基因组中心从事人类疾病基因的定位克隆工作。
2004年4月到2006年10月,在美国西北大学从事博士后研究, 主要进行人造血干细胞转录谱的研究工作。
2006年10月-2010年10月,在美国加州大学河滨分校从事病毒和宿主相互作用的系统生物学研究工作。
2010年10月起任中国科学技术大学生命科学学院教授。
学术兼职:
1、中国细胞生物学学会会员。
研究方向:
1. 基因组和转录组学数据分析。
2. RNA沉默抗病毒机制研究。
3. 非编码RNA的签定和功能分析。
承担科研项目情况:
1. 参与“人类基因组计划中国部分”的序列解析和数据分析工作。担任小组负责人,带领小组成员完成了“人类基因组计划中国区域”的BAC物理图谱的构建、基因组序列的组装、基因组序列的功能注释和论文写作等相关工作。
2. 参与超级杂交水稻基因组计划,家蚕基因组计划等重大物种的基因图谱的绘制工作。
3. 果蝇RNA沉默抗病毒作用机制及其微进化研究。
4. 传染性非典型肺炎病原基因组序列解析和临床检测试剂盒的研制。
5. 人造血干细胞CD34+的转录图谱绘制工作。
6. 作物病虫害的导向性防控项目。
7. 病毒—昆虫、病毒—植物互作机制研究。
科研成果:
1. 2014年12月12日,国际著名病原学期刊《科学公共图书馆-病原》(PLOS Pathogens)在线发表了中国科学技术大学吴清发教授研究团队与中国农业科学院植物保护研究所李世访研究员研究团队合作的研究成果——在苹果锈果病样品中发现一种新的具有核酶活性的环状RNA的最新成果。这一突破性发现引起了业界学者专家和各大媒体的高度关注,而吴清发教授和他近年一直从事的基因组学和生物信息学研究,也从幕后走到了台前。
2. 传染性非典型肺炎病原基因组序列解析和临床检测试剂盒的研制。作为主要工作人员,参与完成了四株与SARS密切相关的冠状病毒基因组解码工作,这是中国最早解析的SARS基因组序列。随后,他带领团队研制了高灵敏度的RT-PCR检测试剂盒,并应用该试剂盒筛选1000多份临床样本,为北京市控制SARS的流行做出了贡献,吴清发也因此作为团队成员获得了2004年北京市科学技术进步奖二等奖。
3. 人造血干细胞CD34+的转录图谱绘制工作。团队克服样本来源稀少的挑战,通过高通量测序方法,获得了10000多条EST的表达序列。这套数据是当时最为完整的CD34+造血干细胞的转录图谱,对该领域的基础生物学和医学研究有重要的参考意义。
4. 建立一种新的研究细胞内polyA-的方法。吴清发发展了一套独特的方法来分离富集细胞内不带有poly A尾巴的RNA分子,并应用第二代测序仪对分离富集的序列进行高通量测序并进行生物信息学分析,他首次表明Hela细胞内三分之二的RNA不带有poly A尾巴。
5. 发现了RNA沉默在果蝇体内抗病毒机制和病毒的反作用机制。吴清发和其队友一起发现FHV病毒的siRNA集中于病毒基因组的5'端,是来源于病毒复制的中间产物;病毒通过编码抑制蛋白结合病毒合成的双链RNA,从而抑制病毒小RNA的产生。吴清发团队还第一次在果蝇细胞内发现病毒源性的piRNA。
6. 建立了新的系统鉴定病毒的生物信息学方法。团队通过对宿主细胞的小RNA进行高通量的测序,然后应用生物信息学方法对测出的序列进行组装分析,鉴定宿主所携带的未知病毒,研究成果发表于PNAS上。该方法能应用于发现新虫媒传染病的病源,在媒介害虫防治中具有重要意义。
7. 利用生物信息学、分子生物学、病毒学和基因组学等手段开展研究。建立了全新概念的非同源依赖鉴定类病毒的PFOR方法并应用该方法鉴定了多种植物的新类病毒;建立通过组装小RNA发现新病毒的vdSAR方法并应用该方法发现多个新病毒;建立了昆虫与FHV病毒的互作模型、发现了昆虫piRNA通路抗病毒作用。
8. 在病毒—昆虫、病毒—植物互作机制研究中,借助模式生物的优势,研究果蝇的抗病毒机制,为研究介体昆虫与病毒互作机制提供了借鉴意义。随着研究的深入,将南方黑条矮缩病毒与白背飞虱免疫互作的机制,特别是其RNA沉默抗病毒机制作为研究重点,并取得突破性进展。。
论文专著:
1.Zhang Z, Qi S, Tang N, Zhang X, Chen S, Zhu P, Ma L, Cheng J, Xu Y,Lu M, Wang H, Ding S, Li S,Wu Q Discovery of replicating circular RNAs by RNA-seq and computational algorithms.PLOS Pathogens.2014, 10(12): e1004553. doi:10.1371/journal.ppat.1004553 (& Corresponding author)
2.Liu H, Wang X, Wang HD, Wu J, Ren J, Meng L, Wu Q, Dong H, Wu J, Kao TY, Ge Q, Wu ZX, Yuh CH, Shan G.Escherichia coli noncoding RNAs can affect gene expression and physiology of Caenorhabditis elegans.Nat Commun. 2012;3:1073.
3.Wu Q , Wang Y , Cao M, Pantaleo V, Burgyan J, Li WX, Ding SW.Homology-independent discovery of replicating pathogenic circular RNAs by deep sequencing and a new computational algorithm.Proc Natl Acad Sci U S A. 2012 Mar 6;109(10):3938-43. Epub 2012 Feb 15.(# Co-first author)
4.Han YH , Luo YJ , Wu Q, Jovel J, Wang XH, Aliyari R, Han C, Li WX, Ding SW. RNA-based immunity terminates viral infection in adult Drosophila in the absence of viral suppression of RNA interference: characterization of viral small interfering RNA populations in wild-type and mutant flies.J Virol. 2011 Dec;85(24):13153-63. Epub 2011 Sep 28.( #Co-first author,& Co-corresponding author)
5.Wang XB, Jovel J, Udomporn P, Wang Y, Wu Q, Li WX, Gasciolli V, Vaucheret H, Ding SW.The 21-nucleotide, but not 22-nucleotide, viral secondary small interfering RNAs direct potent antiviral defense by two cooperative argonautes in Arabidopsis thaliana.Plant Cell. 2011 Apr;23(4):1625-38. Epub 2011 Apr 5.
6.Wu Q, Wang X, Ding SW.Viral suppressors of RNA-based viral immunity: host targets.Cell Host Microbe. 2010 Jul 22;8(1):12-5. Review.
7.Yu B, Bi L, Zhai J, Agarwal M, Li S, Wu Q, Ding SW, Meyers BC, Vaucheret H, Chen X.siRNAs compete with miRNAs for methylation by HEN1 in Arabidopsis.Nucleic Acids Res. 2010 Sep;38(17):5844-50. Epub 2010 May 6.
8.Wu Q, Luo Y, Lu R, Lau N, Lai EC, Li WX, Ding SW.Virus discovery by deep sequencing and assembly of virus-derived small silencing RNAs. Proc Natl Acad Sci U S A. 2010 Jan 26;107(4):1606-11. Epub 2010 Jan 4.
9.Wang X, Wu Q, Ito T, Cillo F, Li W, Chen X, Yu J, Ding S. RNAi-mediated viral immunity requires amplification of virus-derived siRNAs in Arabidopsis thaliana. Proc Natl Acad Sci U S A. 2010, 107(1):484-489.
10.Aliyari R , Wu Q , Li HW, Wang XH, Li F, Green LD, Han CS, Li WX, Ding SW.Mechanism of induction and suppression of antiviral immunity directed by virus-derived small RNAs in Drosophila.Cell Host Microbe. 2008 Oct 16;4(4):387-97.(#Co-first author)
11.Kim YC , Wu Q , Chen J , Xuan Z, Jung YC, Zhang MQ, Rowley JD, Wang SM.The transcriptome of human CD34+ hematopoietic stem-progenitor cells. Proc Natl Acad Sci U S A. 2009 May 19;106(20):8278-83. Epub 2009 Apr 30.(# Co-first author)
12.Lu J, Shen Y, Wu Q, Kumar S, He B, Shi S, Carthew RW, Wang SM, Wu CI.The birth and death of microRNA genes in Drosophila. Nat Genet. 2008 Mar;40(3):351-5. Epub 2008 Feb 17
13.Wu Q , Kim YC , Lu J, Xuan Z, Chen J, Zheng Y, Zhou T, Zhang MQ, Wu CI, Wang SM.Poly A- transcripts expressed in HeLa cells. PLoS One. 2008 Jul 30;3(7):e2803.(# Co-first author)
14.Ge X, Rubinstein WS, Jung YC, Wu Q Genome-wide analysis of antisense transcription with Affymetrix exon array. BMC Genomics. 2008 Jan 22;9:27.
15.Ge X, Wu Q, Wang SM.SAGE detects microRNA precursors.BMC Genomics. 2006 Nov 7;7:285.
16.Wu Q, Tommerup N, Ming Wang S, Hansen L.A novel primate specific gene, CEI, is located in the homeobox gene IRXA2 promoter in Homo sapiens.Gene. 2006 Apr 26;371(2):167-73. Epub 2006 Mar 3.
17.Ge X, Wu Q, Jung YC, Chen J, Wang SM.A large quantity of novel human antisense transcripts detected by LongSAGE.Bioinformatics. 2006 Oct 15;22(20):2475-9. Epub 2006 Aug 7.
18.Ge X, Jung YC, Wu Q, Kibbe WA, Wang SM.Annotating nonspecific SAGE tags with microarray data. Genomics. 2006 Jan;87(1):173-80. Epub 2005 Nov 28.
19.Wang J , Zhang M , Wu Q , Huang W , Shen Y , Yu J, Qiang B, Chen Zhu, Yang Huanming. "Beijing Region" (3pter-D3S3397) of the Human Genome: Complete sequence and analysis. Science in China Series C-Life Sciences. 2005, 48(4): 311-329. (#Co-first author)
20.Wu Q, Niebuhr E, Yang H, Hansen L. Determination of the 'critical region' for cat-like cry of Cri-du-chat syndrome and analysis of candidate genes by quantitative PCR. Eur J Hum Genet. 2005 Apr;13(4):475-85.
21.Yu J, Wang J, Lin W, Li S, Li H, Zhou J, Ni P, Dong W, Hu S, Zeng C, Zhang J, Zhang Y, Li R, Xu Z, Li S, Li X, Zheng H, Cong L, Lin L, Yin J, Geng J, Li G, Shi J, Liu J, Lv H, Li J, Wang J, Deng Y, Ran L, Shi X, Wang X, Wu Q, Li C, Ren X, Wang J, Wang X, Li D, Liu D, Zhang X, Ji Z, Zhao W, Sun Y, Zhang Z, Bao J, Han Y, Dong L, Ji J, Chen P, Wu S, Liu J, Xiao Y, Bu D, Tan J, Yang L, Ye C, Zhang J, Xu J, Zhou Y, Yu Y, Zhang B, Zhuang S, Wei H, Liu B, Lei M, Yu H, Li Y, Xu H, Wei S, He X, Fang L, Zhang Z, Zhang Y, Huang X, Su Z, Tong W, Li J, Tong Z, Li S, Ye J, Wang L, Fang L, Lei T, Chen C, Chen H, Xu Z, Li H, Huang H, Zhang F, Xu H, Li N, Zhao C, Li S, Dong L, Huang Y, Li L, Xi Y, Qi Q, Li W, Zhang B, Hu W, Zhang Y, Tian X, Jiao Y, Liang X, Jin J, Gao L, Zheng W, Hao B, Liu S, Wang W, Yuan L, Cao M, McDermott J, Samudrala R, Wang J, Wong GK, Yang H.The Genomes of Oryza sativa: a history of duplications.PLoS Biol. 2005 Feb;3(2):e38. Epub 2005 Feb 1.
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23.Xia Q, Zhou Z, Lu C, Cheng D, Dai F, Li B, Zhao P, Zha X, Cheng T, Chai C, Pan G, Xu J, Liu C, Lin Y, Qian J, Hou Y, Wu Z, Li G, Pan M, Li C, Shen Y, Lan X, Yuan L, Li T, Xu H, Yang G, Wan Y, Zhu Y, Yu M, Shen W, Wu D, Xiang Z, Yu J, Wang J, Li R, Shi J, Li H, Li G, Su J, Wang X, Li G, Zhang Z, Wu Q, Li J, Zhang Q, Wei N, Xu J, Sun H, Dong L, Liu D, Zhao S, Zhao X, Meng Q, Lan F, Huang X, Li Y, Fang L, Li C, Li D, Sun Y, Zhang Z, Yang Z, Huang Y, Xi Y, Qi Q, He D, Huang H, Zhang X, Wang Z, Li W, Cao Y, Yu Y, Yu H, Li J, Ye J, Chen H, Zhou Y, Liu B, Wang J, Ye J, Ji H, Li S, Ni P, Zhang J, Zhang Y, Zheng H, Mao B, Wang W, Ye C, Li S, Wang J, Wong GK, Yang H; Biology Analysis Group.A draft sequence for the genome of the domesticated silkworm (Bombyx mori). Science. 2004 Dec 10;306(5703):1937-40.
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26.Bi S, Qin E, Xu Z, Li W, Wang J, Hu Y, Liu Y, Duan S, Hu J, Han Y, Xu J, Li Y, Yi Y, Zhou Y, Lin W, Xu H, Li R, Zhang Z, Sun H, Zhu J, Yu M, Fan B, Wu Q, Lin W, Tang L, Yang B, Li G, Peng W, Li W, Jiang T, Deng Y, Liu B, Shi J, Deng Y, Wei W, Liu H, Tong Z, Zhang F, Zhang Y, Wang C, Li Y, Ye J, Gan Y, Ji J, Li X, Tian X, Lu F, Tan G, Yang R, Liu B, Liu S, Li S, Wang J, Wang J, Cao W, Yu J, Dong X, Yang H.Complete genome sequences of the SARS-CoV: the BJ Group (Isolates BJ01-BJ04). Genomics Proteomics Bioinformatics. 2003 Aug;1(3):180-92.
27.Qin E, He X, Tian W, Liu Y, Li W, Wen J, Wang J, Fan B, Wu Q, Chang G, Cao W, Xu Z, Yang R, Wang J, Yu M, Li Y, Xu J, Si B, Hu Y, Peng W, Tang L, Jiang T, Shi J, Ji J, Zhang Y, Ye J, Wang C, Han Y, Zhou J, Deng Y, Li X, Hu J, Wang C, Yan C, Zhang Q, Bao J, Li G, Chen W, Fang L, Li C, Lei M, Li D, Tong W, Tian X, Wang J, Zhang B, Zhang H, Zhang Y, Zhao H, Zhang X, Li S, Cheng X, Zhang X, Liu B, Zeng C, Li S, Tan X, Liu S, Dong W, Wang J, Wong GK, Yu J, Wang J, Zhu Q, Yang H.A genome sequence of novel SARS-CoV isolates: the genotype, GD-Ins29, leads to a hypothesis of viral transmission in South China. Genomics Proteomics Bioinformatics. 2003 May;1(2):101-7.
28.Wu Q, Dong W, Qi X, Bao W, Niu Y, Zhang Y, Zhang H, Chen C, Liu B, Hu S, Wang J, Yang H. Genomic Structure of Metabotropic glutamate receptor 7 and comparison of genomic structures of extracellular domains of mGluR family. Chinese Science Bulletin. 2002, 47:508-515
29.International Human Genome Sequencing Consortium. Initial sequencing and analysis of the human genome. Nature. 2001, 409: 860-921
30.动物遗传学-吴清发-果蝇RNA沉默免疫机制研究 张琪; 韩艳红; 齐水水; 张耀; 丁守伟; 吴清发 中国遗传学会第九次全国会员代表大会暨学术研讨会论文摘要汇编(2009-2013) 2013-09-18
31.家蚕(Bombyx mori)全基因组框架图 夏庆友; 周泽扬; 鲁成; 程道军; 代方银; 李斌; 赵萍; 查幸福; 程廷才; 柴春利; 潘国庆; 许金山; 刘春; 林英; 钱吉凤; 侯勇; 吴正理; 李关荣; 潘敏慧; 李春峰; 沈以红; 蓝希钳; 袁联伟; 李田; 徐汉福; 杨光伟; 万永继; 朱勇; 余茂德; 沈卫德; 吴大洋; 向仲怀; 于军; 王俊; 李瑞强; 石剑萍; 李恒; 李光远; 苏建宁; 王晓玲; 李国庆; 张增金; 吴清发; 李俊; 张庆鹏; 韦宁; 徐建哲; 孙海波; 董乐; 刘东源; 赵胜利; 赵晓兰; 孟庆顺; 兰锋镝; 黄显刚; 李源哲; 方林; 李昌锋; 李大为; 孙永巧; 张振鹏; 杨峥; 黄艳清; 奚艳; 亓秋辉; 贺丹丹; 黄海燕; 张晓伟; 王智强; 李文杰; 曹玉竹; 余迎朴; 俞鸿; 李金宏; 叶杰华; 陈欢; 周雁; 刘斌; 王晶; 叶葭; 纪海; 李胜霆; 倪培相; 张建国; 张勇; 郑洪坤; 毛炳宇; 王文; 叶辰; 李松岗; 汪建; Gane Ka-Shu Wong; 杨焕明 蚕学通讯 2008-12-15
32.空气和空调器样本中SARS冠状病毒的检测 杜宗敏; 王效义; 戴二黑; 刘海洪; 韩延平; 庞昕; 翟俊辉; 杨瑞馥; 吴清发; 李京湘; 杨玲; 汪建 中国消毒学杂志 2005-06-15
33.逆转录套式PCR检测粪便样本中的SARS冠状病毒 戴二黑; 李京湘; 杜宗敏; 吴清发; 王效义; 杨玲; 刘海洪; 庞昕; 韩延平; 翟俊辉; 江凌晓; 陈泽良; 邱茂锋; 王津; 王宏霞; 郭兆彪; 汪建; 杨瑞馥 微生物学免疫学进展 2004-12-20
34.应用套式RT-PCR检测SARS患者血液样品中SARS冠状病毒 王效义; 戴二黑; 杜宗敏; 刘海洪; 韩延平; 庞昕; 翟俊辉; 江凌晓; 陈泽良; 邱茂峰; 王津; 王宏霞; 郭兆彪; 杨瑞馥; 吴清发; 李京湘; 杨玲; 汪建 生物技术通讯 2004-10-30
35.人类基因组3pter-p26区域的序列比较分析 罗春清; 李彦; 张晓伟; 张以琳; 张海青; 陈冲; 吴清发; 徐祖元; 崔鹏; 胡松年; 王俊; 杨焕明; 董伟 中国科学(C辑:生命科学) 2004-08-20
36.传染性非典型肺炎患者不同病程粪便标本中SARS-CoV的分离与鉴定 田薇; 邓亚军; 吴清发; 王绪敏; 杨玲; 张峰; 刘晨辉; 包其郁; 汪建; 杨焕明; 刘明旭 世界华人消化杂志 2004-05-15
37.RT-PCR测定SARS患者粪便及漱口液中SARS CoV RNA及其临床意义 任翊; 丁惠国; 吴清发; 陈唯军; 陈东; 任珍; 杨玲; 赵春惠; 汪健 中华微生物学和免疫学杂志 2003-12-30
38.SARS相关病毒(BJ01株)的全序列及其比较分析 秦鄂德; 祝庆余; 于曼; 范宝昌; 常国辉; 司炳银; 杨保安; 彭文明; 姜涛; 刘伯华; 邓永强; 刘洪; 张雨; 王翠娥; 李豫川; 甘永华; 李晓萸; 吕富双; 谭刚; 曹务春; 杨瑞馥; 汪建; 李蔚; 徐祖元; 李彦; 吴清发; 林伟; 陈维军; 唐琳; 邓亚军; 韩玉军; 李昌峰; 雷蒙; 李国庆; 李文杰; 吕宏; 石建萍; 童宗中; 张峰; 李松岗; 刘斌; 刘斯奇; 董伟; 王俊; 黄家树; 于军; 杨焕明 科学通报 2003-06-15
荣誉奖励:
资料更新中……
我科学家首次发现苹果中具有核酶活性的环状rna
本报讯近日,中国农业科学院植物保护研究所研究员李世访研究团队与中国科学技术大学吴清发教授研究团队合作,在世界上首次发现苹果中存在具有核酶活性的环状rna。
上世纪80年代,在研究苹果上一种危害严重的病害——苹果锈果病时,中国农业科学院兴城果树研究所的果树病毒专家刘福昌研究员和日本果树病毒专家小金泽硕城均从苹果中分离到一种特殊环状rna。但是,限于检测及分析技术的限制,一直未能揭示出它的真面目。
2012年,在一次国际会议中,李世访结识了专门从事生物信息学研究的吴清发,并决定共同探究苹果中环状rna的真面目。
研究团队采用了高通量测序(ngs)技术结合生物信息学分析的策略。他们重新编译了pfor2程序,其运行速度比pfor提高了3~8倍,从而能够处理高通量测序获得的大量数据。通过对含有环状rna的苹果锈果样品进行高通量测序,经过几个月的摸索和反复验证,终于拿到了该环状rna的全序列。
序列分析发现,该环状rna由434个核苷酸组成,是一种迄今为止从未见过报道的新的环状rna。自中国报道后,美国、意大利等国研究人员的检测结果也为此提供了有力的佐证。有意思的是,生化实验表明,该环状rna正、负链均具有核酶活性,能够进行自我剪切。该研究为今后从植物和动物中发现更多环状rna提供了新的思路和技术手段。
来源:中国科学报 2015-01-14 06:45
2014.12.12,我院吴清发教授研究组在PLoS Pathogens上在线发表论文
2014.12.12,我院吴清发教授研究组在PLoS Pathogens上在线发表题为:“Discovery of Replicating Circular RNAs by RNA-Seq and Computational Algorithms”的论文,PLoS Pathog 10(12): e1004553.
作者: Zhixiang Zhang, Shuishui Qi, Nan Tang, Xinxin Zhang, Shanshan Chen, Pengfei Zhu, Lin Ma,Jinping Cheng, Yun Xu, Meiguang Lu, Hongqing Wang, Shou-Wei Ding, Shifang Li, Qingfa Wu
Abstract:
Replicating circular RNAs are independent plant pathogens known as viroids, or act to modulate the pathogenesis of plant and animal viruses as their satellite RNAs. The rate of discovery of these subviral pathogens was low over the past 40 years because the classical approaches are technical demanding and time-consuming. We previously described an approach for homology-independent discovery of replicating circular RNAs by analysing the total small RNA populations from samples of diseased tissues with a computational program known as progressive filtering of overlapping small RNAs (PFOR). However, PFOR written in PERL language is extremely slow and is unable to discover those subviral pathogens that do not trigger in vivo accumulation of extensively overlapping small RNAs. Moreover, PFOR is yet to identify a new viroid capable of initiating independent infection. Here we report the development of PFOR2 that adopted parallel programming in the C++ language and was 3 to 8 times faster than PFOR. A new computational program was further developed and incorporated into PFOR2 to allow the identification of circular RNAs by deep sequencing of long RNAs instead of small RNAs. PFOR2 analysis of the small RNA libraries from grapevine and apple plants led to the discovery of Grapevine latent viroid (GLVd) and Apple hammerhead viroid-like RNA (AHVd-like RNA), respectively. GLVd was proposed as a new species in the genus Apscaviroid, because it contained the typical structural elements found in this group of viroids and initiated independent infection in grapevine seedlings. AHVd-like RNA encoded a biologically active hammerhead ribozyme in both polarities, and was not specifically associated with any of the viruses found in apple plants. We propose that these computational algorithms have the potential to discover novel circular RNAs in plants, invertebrates and vertebrates regardless of whether they replicate and/or induce the in vivo accumulation of small RNAs.
来源:中国科技大学生命科学学院 2015-03-15
遗传的印记
——记中国科学技术大学生命科学学院吴清发教授
在大众眼里,遗传密码可以从一个生命体传到另外一个生命体,生命的密码就蕴藏其中。在基因王国里浸润了近20年的吴清发,不知疲倦,就是因为这里充满了无穷的魅力。
2014年12月12日,国际著名病原学期刊《科学公共图书馆-病原》(PLOS Pathogens)在线发表了中国科学技术大学吴清发教授研究团队与中国农业科学院植物保护研究所李世访研究员研究团队合作的研究成果——在苹果锈果病样品中发现一种新的具有核酶活性的环状RNA的最新成果。这一突破性发现引起了业界学者专家和各大媒体的高度关注,而吴清发教授和他近年一直从事的基因组学和生物信息学研究,也从幕后走到了台前。
探寻环状RNA的真面目
一直以来,被称作苹果锈果病的严重病害困扰着果农。一旦苹果树被感染后,果实就会出现锈果、开裂或花斑等症状,影响果实质量。上世纪80年代,在研究苹果锈果病时,中国农业科学院兴城果树研究所的果树病毒专家刘福昌研究员和日本果树病毒专家小金泽硕城均从苹果中分离到一种关键遗传物质——特殊环状RNA。但是,限于检测及分析技术的限制,一直未能揭示出它的真面目。
植物病毒和类病毒在植物体内复制时,会形成双链RNA的特殊核酸分子,这种核酸分子可被植物细胞内的防御蛋白Dicer识别,产生长度为21-24碱基的siRNA。应用最新测序技术对植物的所有的小RNA测序,然后对测序数据进行生物信息学分析,可以获得植物病原体的信息。在传统的研究中,科学家所依赖的生物信息学工具主要是序列同源比对方法,对获得的数据进行分类和功能预测,鉴定出与已知病原体遗传物质具有一定同源性的新病原体序列,但对和已知序列没有同源性的序列进行分类和功能预测仍然是目前生物信息学研究的难点。
植物类病毒的遗传物质是特殊的RNA分子,在感染植物细胞中后可产生大量的相互重叠的来源该RNA分子的siRNA。吴清发研究组从2010年开始开发生物信息学鉴定发现新类病毒的PFOR算法,这种算法不依赖于已知类病毒遗传物质的同源性,而是基于环状RNA的结构特征而开发的非同源依赖的类病毒鉴定方法,因此可识别全新的类病毒。该工作于2012年发表在的美国科学院院刊(PNAS)上,在行业内部引起了广泛的关注。
2012年,在一次国际会议中,吴清发教授结识了长期从事类病毒研究的李世访研究员,并决定共同探究苹果中环状RNA的真面目。在与李世访团队合作研究的过程中,他们又对PFOR的算法进行了优化和改进,获得了具有并行处理能力的快速运算程序PFOR2,其运行速度比PFOR提高了3~8倍,从而能够处理高通量测序获得的大量数据。该程序可用于小RNA和RNA-seq数据分析,这为他们后来的研究创造了高效独到的研究手段。依托于此,合作研究团队采用了高通量测序(NGS)技术结合生物信息学分析的策略, 通过对含有环状RNA的苹果锈果样品进行分析,经过几个月的摸索和反复验证,他们终于拿到了该环状RNA的全序列。
序列分析发现,该环状RNA由434个核苷酸组成,是一种迄今为止从未公布的新的环状RNA,其具有鳄梨日斑类病毒科的典型结构元件——核酶结构域并验证了其自切能力。自我国报道后,美国、意大利等国研究人员的检测结果也为此提供了有力的佐证。有意思的是,生化实验表明,该环状RNA正、负链均具有核酶活性,能够进行自我剪切。该研究为进一步破解和防治相关果树疾病奠定了重要基础,也为今后从植物和动物中发现更多环状RNA提供了新的思路和技术手段。而更为重要的是,PFOR2这种新型运算方法,可以利用RNA-seq数据来鉴定环状RNA分子能力,这也将会极大促进植物类病毒的发现,对研究类病毒的起源和进化机制奠定了良好的基础。
融入生命科学研究的新浪潮
从各种科学发展的普遍规律看,任何一轮实验数据和观测数据的大积累,都会引起一场新技术和新学科的革命。因而,世界各国科学家对基因组序列测定这场生命科学的新技术革命都报以极大的期望。
有着分子生物学、微生物等多学科背景的吴清发选择了基因生物信息这块新兴的交叉领域。近10年来,该领域的研究依托了计算机系统收集、储存、分析和比较各种基因组信息,服务于生物学数据研究,发展迅速。
1999年,当时还在中国科学院遗传与发育生物学研究所人类基因组研究中心(中国科学院北京基因组所前身)攻读博士学位的吴清发就对这一研究产生了浓厚的兴趣。专业基础扎实的他作为技术骨干,参与“人类基因组计划中国部分”的序列解析和数据分析工作。他在其中担任小组负责人,带领小组成员完成了“人类基因组计划中国区域”的BAC物理图谱的构建、基因组序列的组装、基因组序列的功能注释和论文写作等相关工作,这些经历和成果为他博士毕业交上了一份完美的答卷。
有了参与人类基因组的实践经验,他又作为技术负责人之一,参与了超级杂交水稻基因组计划,家蚕基因组计划等重大物种的基因图谱的绘制工作。并且这期间,他又作为交流博士生,在丹麦哥本哈根大学医学院功能基因组中心从事人类疾病基因的定位克隆工作。学无止境,2004年4月开始,他去到美国继续深造,先后在美国西北大学、美国加州大学河滨分校进行博士后研究和工作,在人造血干细胞转录谱、病毒和宿主相互作用等研究方向做出了系列工作并取得优秀的成绩。
正如上世纪50年代微电子技术的发明和应用带来了第三次技术革命一样,科学手段的革新也颠覆并加速了领域研究的方法和进程。2001年,美、英、法、德、日、中六国合作,历时十年,耗资数十亿美元的人类基因组计划(Human Genome Project,HGP)宣告完成。各国科学家以此为契机,为解读基因的密码继续不懈努力,而这其中最大的突破之一,就是第二代测序技术的推出。吴清发亲身感知生命科学领域的发展并为之振奋,因为HGP的顺利完成向科学家们证明了,人类有能力对自身的遗传信息进行研究。吴清发教授从中看到了生命科学研究的希望,也找到了自己研究的方向。
在随后的10年里,他利用第二代测序仪器海量数据的生产能力,进行了人造血干细胞CD34+的转录组绘制、病毒—宿主相互作用机制研究等课题的研究,有了一系列成果和发现。
——传染性非典型肺炎病原基因组序列解析和临床检测试剂盒的研制。作为主要工作人员,吴清发参与完成了四株与SARS密切相关的冠状病毒基因组解码工作,这是中国最早解析的SARS基因组序列。随后,他带领团队研制了高灵敏度的RT-PCR检测试剂盒,并应用该试剂盒筛选1000多份临床样本,为北京市控制SARS的流行做出了贡献,吴清发也因此作为团队成员获得了2004年北京市科学技术进步奖二等奖。
——人造血干细胞CD34+的转录图谱绘制工作。团队克服样本来源稀少的挑战,通过高通量测序方法,获得了10000多条EST的表达序列。这套数据是当时最为完整的CD34+造血干细胞的转录图谱,对该领域的基础生物学和医学研究有重要的参考意义。
——建立一种新的研究细胞内polyA-的方法。吴清发发展了一套独特的方法来分离富集细胞内不带有poly A尾巴的RNA分子,并应用第二代测序仪对分离富集的序列进行高通量测序并进行生物信息学分析,他首次表明Hela细胞内三分之二的RNA不带有poly A尾巴。
——发现了RNA沉默在果蝇体内抗病毒机制和病毒的反作用机制。吴清发和其队友一起发现FHV病毒的siRNA集中于病毒基因组的5'端,是来源于病毒复制的中间产物;病毒通过编码抑制蛋白结合病毒合成的双链RNA,从而抑制病毒小RNA的产生。吴清发团队还第一次在果蝇细胞内发现病毒源性的piRNA。
——建立了新的系统鉴定病毒的生物信息学方法。团队通过对宿主细胞的小RNA进行高通量的测序,然后应用生物信息学方法对测出的序列进行组装分析,鉴定宿主所携带的未知病毒,研究成果发表于PNAS上。该方法能应用于发现新虫媒传染病的病源,在媒介害虫防治中具有重要意义。
十年沉淀,厚积薄发
新世纪的头10年,我国经济取得了巨大发展,生命科学领域正拉开精彩的序幕。2010年10月,吴清发博士选择了回国,在中国科学技术大学生命科学学院开启了属于他的第二个十年科研之旅。
自2010年筹建中国科学技术大学生命学院基因组与生物信息学实验室以来,吴清发教授带领团队在中科院、科技部、国家自然科学基金等一系列课题、项目的攻关路上,一路耕耘,一路收获。
战略性先导科技专项是中国科学院在中国至2050年科技发展路线图战略研究基础上,瞄准事关我国全局和长远发展的重大科技问题提出的集科技攻关、队伍和平台建设于一体力求能形成重大创新突破和集群优势。作物病虫害的导向性防控项目是2014年立项的先导项目,该项目以昆虫—病原微生物相互关系作为研究模式,通过系统解析生物间信息流产生、识别、传递及自然操纵的分子生物学基础,以期阐明生物间信息交流的新现象与新机制。在该项目的引导下,吴清发教授带领课题组成员致力于揭开植物病毒的基因奥秘。吴清发教授说,病毒和类病毒是植物重要的病原体,感染植物后使植物正常的生长和发育遭到破坏,严重影响农作物的产量和品质,因此对植物病毒和类病毒的鉴定分类是植物病毒病防治的基础和前提。由于80%植物病毒对植物的侵染依赖介体昆虫如蚜虫、粉虱、飞虱等昆虫的传播,研究昆虫与病毒互作是揭示昆虫传播病毒机制的基础。
在研究生物基因的科学家看来,在植物和昆虫体内,RNA沉默是一种保守的抗病毒机制,它主要通过宿主的核酸内切酶Dicer识别病毒来源的双链RNA,产生病毒siRNA并被组装入蛋白中,形成有活性的沉默复合体RISC,进而切割、降解病毒的基因组RNA或mRNA, 从而抑制病毒在宿主细胞内复制并清除病毒。
因此,吴清发教授利用生物信息学、分子生物学、病毒学和基因组学等手段开展研究。经过长期的研究,他们建立了全新概念的非同源依赖鉴定类病毒的PFOR方法并应用该方法鉴定了多种植物的新类病毒;建立通过组装小RNA发现新病毒的vdSAR方法并应用该方法发现多个新病毒;建立了昆虫与FHV病毒的互作模型、发现了昆虫piRNA通路抗病毒作用。与此同时,他以中国科大实验室的名义,发表了SCI论文9篇, 影响因子合计大于60。在这期间,吴清发教授还参加多项国内外会议并应邀发言。
除了去年年底的发现,吴清发团队从2011年开始收集国内许多植物的病变样本,应用vdSAR方法鉴定发现了多个新病毒,其中包括可能引起槟榔黄化病的长线形病毒、患病水稻中分离获得的新病毒。
在病毒—昆虫、病毒—植物互作机制研究中,他们借助模式生物的优势,研究果蝇的抗病毒机制,为研究介体昆虫与病毒互作机制提供了借鉴意义。随着研究的深入,他们将南方黑条矮缩病毒与白背飞虱免疫互作的机制,特别是其RNA沉默抗病毒机制作为研究重点,并取得突破性进展。目前,白背飞虱基因组已被吴清发团队成功破解,有很多重要的科学发现、相关的基因组分析论文正在准备当中。
与生物基因打交道的十多年,吴清发教授追寻着生物遗传的印记,享受发现的乐趣。第二个十年又过去了一半,在生命科学的这条道路上,他的步履愈加踏实,因为还有和他并肩作战的团队和由此展开的精彩人生。
来源:科学中国人 2015年第5期
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