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[校报489期]生物信息学平台:学科交叉与整合助力创新

    2012年11月26日,《自然·遗传学》杂志在线发表了我校甜橙基因组图谱研究成果。这是我国自主完成的首个果树作物基因组序列图谱,也是目前全球最为完整的甜橙全基因组序列图谱。据中国科学报透露,该项成果已进入2012年国内十大科学进展候选。
  甜橙基因图谱测序完成,是多学科协同创新的典范。论文的两位通讯作者邓秀新院士、阮一骏教授分别来自不同的学科领域。邓秀新在柑橘研究领域享有世界范围的声望, “千人计划” 学者阮一骏则是国际知名的基因组学科学家。论文作者多是“70”、“80后”:柑橘团队的徐强博士,2011年测序计划启动时,他刚从美国做完访问学者;陈玲玲教授,参与生物信息分析合作;生科院阮晓安博士,主导DNA测序。
  国际柑橘基因组合作计划启动8年后仍未交出满意答卷,我校团队用了不到两年,绘制了一张基因组序列覆盖率近90%,注释的基因约3万个的最完整图谱。如果没有生物学信息平台,很难想象这一切如何发生。

    ■平台的前世今生
  随着生命科学的迅猛发展,DNA自动测序技术不断更新,DNA数据库中的核酸序列公共数据量呈几何级数增长,生物信息正迅速地膨胀成数据的海洋。数据量的巨大积累宛如富矿,蕴含着众多潜在突破性发现的可能。要想阐释生命的奥秘,如何解释这些数据成为了科学家必须解决的问题。“生物信息学”正是从这一前提产生的交叉学科。
  据生科院党委书记陈胜介绍,我校从上世纪90年代即着手建设生物信息学。1999年开始为本科生开设生物信息学课程,2007年王石平教授的相关课程被评为国家精品课程,并在全国率先培养生物信息学方向研究生。2009年年初,在张启发院士的帮助下,学校引进张红雨教授率领的生物信息学团队,组建了生物信息学教研室和生物信息研究中心,张红雨任主任。2010年,我校获准开设生物信息学本科专业,一年后该专业开始招生。2011年,学校通过引进阮一骏教授,学校下文组建系统生物学研究中心。
  系统生物学研究中心是真正意义上的跨学科平台。阮一骏任主任,长江学者特聘教授匡汉晖来自园林学院,他的研究方向是茄科植物的抗病基因。另外两名副主任是张红雨和阮晓安。
  两个中心为核心的生物信息学平台拥有国内一流的实验条件。据张红雨介绍,已经建成两个大型计算机群、300多个处理器计算核心,高通量计算机已经获批,网络平台等软件设施正在开发,目前已有2T的内存含量。已到位设备和已列入计划即将购置的硬件和软件,估计投入的资金达千万元左右,其中学校、作物遗传改良国家重点实验室的支持占有相当的比例。
  平台现在主要的研究方向偏向基因组生物信息学、蛋白质结构关系,代谢组与药物设计等方面。“目前我们学校在DNA、染色体建模、蛋白质机构分子中独特的研究方法等方面相对来说有优势。”张红雨说,除了甜橙基因组图谱这项成果外,学校生物信息学研究还取得了不少成果,比如建立了基于蛋白质结构的分子钟,据此追溯代谢起源过程中的若干重要事件,包括氨基酸合成途径的起源、有氧代谢的起源等。该成果曾被被包括Science News在内的国际媒体广泛报道。

    ■学科交叉助力解密甜橙基因密码
  甜橙基因解码此次曝光,正好可以一探生物信息学平台工作的究竟。
  此次甜橙基因组测序采用全基因组鸟枪法(WGS)策略,对柑橘团队2010年获得的甜橙双单倍体纯系材料,进行双末端测序。这种被称为“霰弹法”的策略,必须借助超级计算机的运算能力,具体来说,就是在获得一定的甜橙遗传及物理图谱信息的基础上,将基因组DNA打成小片段(2kb左右)进行测序,然后再将这些小的片段拼接起来,重新组装成一个完整的基因组。它的最大优点是经济、快速、高效,但对高性能计算的方法和设备要求非常高。
  这是一门以计算机为工具对生物信息进行储存、检索和分析的科学。在甜橙基因组测序成果发布的新闻发布会上,阮一骏力图向记者们科普生物信息学的概念。“简单讲,就是通过DNA测序,对数据进行分析,随着仪器化程度的提高,运用统计学原理将庞杂的数据进行检索和分析,从而找出相关的信息。”其研究重点主要体现在基因组学(Genomics)和蛋白质组学(Proteomics)两方面,具体说就是从核酸和蛋白质序列出发,分析序列中表达的结构功能的生物信息。阮一骏说,基因组学提高了人们认识遗传语言的能力。
  以甜橙基因组为例,该图谱不仅为柑橘基因功能研究提供框架,也将在应用上为果实品质包括色、香、味等重要性状基因的遗传选育发掘及品种改良提供重要平台。阮一骏说,这好比生物信息学帮人类快速发现了一座“金矿”,更深入的掘金工作则留给了后人。
  让邓秀新和阮一骏感到欣慰的是,平台里学科交叉促进了年轻人的成长,主力的研究人员都是“70后”和“80后”。“生物信息学是多学科的交叉和整合才形成的。现在我们学校的生物信息学水平已跻身世界前列了。别人可以做的,现在我们也可以做了,而且可以做得很好。”阮一骏说。
  从博士到本科,生物信息学的完整的学科构架已经完成。在逼仄的老图书馆A座3楼,生物信息学平台已经度过了最为困难的磨合期。2014年,作物遗传改良国家重点实验室的实验大楼(第二综合实验楼)建成并投入使用之后,学校生物信息学实验室届时将迁到如今的分子楼。“相信以后的发展会越来越好,越来越快的。”张红雨对生物信息学的发展充满信心。

责任编辑:刘涛
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