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摘要： 一、引言同中国百年考古史相比,植物考古无疑是一个新兴的考古学研究方向。早年的考古发掘中就发现过不少植物遗存,也成为讨论农业起源等问题的重要依据1。但系统科学地引入田野取样和制样技术,并且开展广泛实践是最近二十年的事2。尽管这个研究方向在中国、在科技考古中都是很年轻的,但近二十年来,伴随着考古工作本身体量、规模和从业队伍的蓬勃发展,植物考古无论在理论、方法、材料,还是人才培养上,

关键词： 连锁不平衡   群体遗传学   遗传关联矩阵   群体结构   分子进化   大数据计算  

摘要： 连锁不平衡(Linkagedisequilibrium,LD),即基因座之间的非随机关联,是描述动态变化过程中群体特征的主要指标之一,可反映群体历史、地理分化、繁殖方式、自然选择的历史等各方面信息。在随机交配群体中,LD受染色体长度和重组率等因素影响。当群体经历选择、分化或群体内部包含众多稀有变异时,会出现复杂的LD结构。在高通量测序时代,如何衡量群体内大尺度的LD结构一直被长期忽视,主要原因是高通量数据本身所带来的计算挑战。以样本量接近一千(n≈103)、分子标记数接近百万(m≈106)的重测序群体为例,基因组LD的计算复杂度为O(nm2),在常规计算资源下几乎无法实现,针对海量组学数据,现有LD算法亟待发展。鉴于此,本研究针对不同样本尺度的高通量测序数据发展了两种估算染色体水平LD的高效算法和配套分析软件,为海量数量群体多层面LD解析奠定了基础。算法Ⅰ直接构建个体间亲缘关系的遗传关联矩阵(Genetic relatedness matrix,GRM),通过解析方式将亲缘关系转化为分子标记间的LD,计算复杂度为O(n2m)—集中在GRM构建部分,适用于小群体高密度分子标记数据。算法Ⅱ针对样本量接近几十万的数据集,通过随机迹统计量避免了耗时的GRM构建,由迭代算法获取分子标记间LD,总体计算复杂度为O(nmB),其中B为迭代次数。重构了根井正利与李文雄的广义LD解析结构,模拟验证了两种算法有效性及群体结构与稀有多态位点等因素对群体LD结构的影响。在实例数据分析中,将算法Ⅰ和Ⅱ应用于25类参考群体(最大样本量不超过104)和英国生物样本库(UK Biobank,样本量约5 × 105)。模拟和实例分析揭示了群体结构、选择与稀有多态位点对群体LD结构影响;相比国际常用软件PLINK,两套算法在LD计算效率上提升了 3个(103)甚至更高数量级;针对异源六倍体小麦以及烟草群体分别揭示了各亚基因组间LD差异以及参考基因组差异对LD影响。新算法突破了现有方法无法分析大群体海量标记间平均LD的计算瓶颈,为研究基因组水平、染色体水平以及特定功能区段的LD结构奠定了基础。

关键词： 应用型人才   遗传学   课程改革  

摘要： 课程体系是高校人才培养方案中的核心要素，应用型高校如果仍沿用学术型高校的培养目标和教学方法，就易造成学生的学习内容与生产实际、行业需求相脱离。针对应用型高校人才培养的课程改革，本文从培养目标、课程设置、教学方式、考试评估等方面，辅以课程思政并与“互联网+”背景相结合，以遗传学课程为例，探索生物技术专业本科生人才培养的优化路径，从而激发高校学生的学习内驱力，培养富有社会责任感和职业使命感的新时代人才。

关键词： 猪   短串联重复序列   群体遗传学   肝脏组织   基因表达   候选因果变异  

摘要： 猪是重要的农业动物之一,猪肉约占世界肉类消费总量的40%。野猪起源于东南亚地区,在亚洲和欧洲两个中心被独立驯化成家猪;并不断向世界各地扩散,形成丰富多样的家猪品种。对猪基因组的遗传学研究,不仅有利于剖析猪的群体结构、遗传多样性、驯化和进化,也有利于解析猪复杂性状的因果机制、提高育种效率和生产性能。然而,前人的研究主要集中在猪基因组中SNP、INDEL、CNV和SV等变异的功能,而忽视了短串联重复序列变异(STR)的重要作用。STR,又称简单重复序列(SSR),是指基因组上核心基序长度为1-6碱基的串联重复DNA序列。STR约占真核生物基因组总长的0.5%-15.5%,具有高度多态性;STR曾经被认为是没有功能的“垃圾DNA”,但最近多项研究表明,STR在动植物基因表达和复杂性状的调控中发挥着重要作用。本研究收集来自全球22个家猪品种、2个野猪群体和7个其他猪属共计394个样本的全基因组重测序数据,利用TRF和lob STR软件,共鉴定到878967个多态性STR变异(p STR),大幅扩充了猪STR变异数据库。研究发现:(1)编码区域的p STR受到了纯化选择的影响;CCG、AGG和AGC等三核苷酸p STR在CDS、5’UTR和H3K4me3区富集,而ACAGCC重复序列在SINEs元件中显著富集,表明这些STRs在猪基因组中具有重要的功能。(2)利用近三十万个高质量的p STR对品种的分类效果要好于全基因组SNP数据。(3)鉴定了14125个拷贝数扩张评分大于10的p STR,其中位于A3AGLT2基因的p STR在亚欧猪群间分化极其显著。(4)在亚洲野猪和家猪之间,鉴定了1484个显著分化的p STR,最显著信号位于TBX19、MSTN、SFT2D2和AHR等基因附近;在欧洲野猪和家猪之间,共鉴定了1325个显著分化的p STR,最显著信号位于MFSD12、NR6A1、FAF1和LAS1L等基因附近。(5)在中国地方猪环境适应性分析中,共有3268个p STR与年平均温度变异显著关联,涉及EDA、METTL8和FAM155B等基因;共有2692个p STR与高原适应性显著关联,涉及EPAS1、PDK1和PIK3C2B等基因。在分析家猪与野猪之间的分化以及中国地方猪环境适应性时,我们还发现许多p STRs比SNPs的信号更显著,支持了STR在鉴别选择信号等群体遗传学领域可以提供重要的补充信息。总之,本研究提供了迄今为止最全面的猪基因组p STR集合,并阐明了短串联重复序列变异在猪进化、驯化和环境适应中的作用。为了探究STR变异对基因表达的影响,本项目专门研究了家猪嵌合家系F6和F7世代全基因组重测序及其对应的肝脏组织全基因组表达谱数据。其中,F6和F7群体的样本量大小在质控之后分别为260和296。在F6和F7世代的肝脏组织中,分别鉴定出5,203和5,868个与基因表达显著相关的STRs(e STRs,FDR<1%)。正交验证分析表明,不同群体间显著性e STR的重复率为92%。与e SNP比较发现,e STR的遗传力约为顺式遗传力的1/4;利用贝叶斯精细定位法,在F6和F7中分别确定了235和298个候选的FMe STR(Fine-Mapped e STR),且两个群体间共享12个e Genes,分别是ABTB1、ASB5、NDUSF5、CARD19、MPG、KNJ18、RTTN、IL33、BCKDK、RAB4B、SNX33和ARPC5基因。此外,我们发现FMe STR在猪基因组中内含子区域,以及ATAC、HIC Compartment A和H3K4me3等表观遗传修饰区域显著富集。最后,我们观察到数百个e STRs与GWAS SNPs有共定位,其中20个位于GWAS-SNP附近的FMe STR又与表观遗传修饰峰重叠,其靶基因的功能与GWAS表型相关,提示这些STR很可能是候选的因果变异。例如,第9号染色体上的一个FMe STR落在H3K4me3、H3K27ac和ATAC的保守峰上,又与血细胞计数的GWAS SNP毗邻,且显著影响了CLPB基因的表达。综上所述,本研究对猪肝组织的e STRs进行了全面的调查,证实了STR变异对猪肝脏组织的基因表达具有显著的调控作用,为研究复杂性状的遗传基础提供了重要的见解。

关键词： Bayesian posterior consistency   Ergodicity   Solution surface   Shrinkage estimator   Population genetics   Genealogy  

摘要： The coalescent is the primary probabilistic model for modeling genealogies. However, in practice, the exact inference is typically impossible. Several approximated inference approaches have been proposed. Despite their popularity, some aspects of their mechanism remain uncovered. This thesis is devoted to some of these questions. In what follows, we first obtain new theoretical results about the sequentially Markov coalescent (SMC). In an inferential setting, we examine the well-known pairwise sequentially Markov coalescent(PSMC) algorithm for inferring local ancestry using genetic variation data. We prove that the posterior distribution of (a slight variant of) PSMC contracts, up to log factors, at a nearly parametric rate to the underlying true parameter. Second, we study the ergodicity properties of the underlying SMC process itself. We prove via a coupling argument that the underlying discrete jump chain of the process is geometrically ergodic. Establishing similar results for the continuous-time process is harder due to the dependence between the level and jump rate, and, in particular, an absorbing state at zero. We outline some ways forward by drawing parallels between SMC and a model of internet traffic which turns out to have close connections. Next, we investigate the Li-Stephens(LS) model. Interpreting the LS model as a changepoint detection approach, we treat the recombination rate and the mutation rate as two tuning parameters. By appealing to a result in the changepoint detection literature and several results from convex analysis, we derive a new, efficient algorithm for finding the complete solution surface of both haploid and diploid variants of the LS algorithm. The simulation studies demonstrate our algorithm can be viewed as characterizing the trade-off between recombination and mutation. Lastly, we provide a shrinkage estimator for estimating population size history. The estimator based on sample frequency spectrum and PSMC are two popular estim

关键词： 光遗传学   光控腺苷酸环化酶bPAC   上转换纳米颗粒   基于上转换材料的细胞光遗传学   胰岛素   糖尿病  

摘要： 目前,在糖尿病治疗运用中,传统光遗传学存在诱发低血糖的内在风险和可见光组织穿透性差的缺陷等。基于上转换材料的细胞光遗传学技术,是将具有更强组织穿透能力的近红外光与掺杂镧系金属元素的上转换纳米颗粒(upconversion nanoparticles,UCNPs)结合的新兴技术。基于此,本论文研究以光控腺苷酸环化酶(Beggiatoa-photoactivated adenylyl cyclase,b PAC)这一蛋白元件和UCNPs(成分结构Na YF:Yb,Tm@Na Nd,Yb F@Na Gd F,吸收波长808nm,发射波段440-490nm)为研究对象,利用基于上转换材料的细胞光遗传学技术调控胰岛beta细胞胰岛素的分泌,并进一步实现对糖尿病裸鼠血糖的调控。本论文研究的主要内容与成果总结如下:(1)构建慢病毒载体,建立稳定表达m Cherry-b PAC质粒的大鼠RIN-m5F胰岛beta细胞株;在细胞体外实验中,利用稳定表达m Cherry-CRY2clust的COS-7细胞说明了基于上转换材料的细胞光遗传学系统调控光敏蛋白的可行性;利用不同的葡萄糖浓度刺激RIN-m5F细胞确定50 m M葡萄糖浓度作为后续体外细胞实验的高糖工作浓度;利用囊泡标记质粒VAMP2-p Hluorin转染和酶联免疫吸附测定方法说明了传统光遗传学和基于上转换材料的细胞光遗传学调控RIN-m5F细胞分泌胰岛素的作用。(2)在动物在体实验中,通过在裸鼠皮下种植稳定表达m Cherry-b PAC质粒的大鼠RIN-m5F胰岛beta细胞和注射链脲佐菌素溶液,构建了正常对照组、糖尿病模型组和RIN-m5F细胞荷瘤糖尿病组三组裸鼠实验动物模型,利用小动物活体成像仪及造模前后多个参数对比证实裸鼠皮下RIN-m5F细胞移植瘤和糖尿病动物模型的成功构建。(3)通过对正常对照组、糖尿病模型组、RIN-m5F细胞荷瘤糖尿病组及蓝光照射RIN-m5F细胞荷瘤糖尿病组四组裸鼠口服葡萄糖耐量试验数据对比,表明LED蓝光灯带条发出的蓝光可以穿透裸鼠表皮激发光控腺苷酸环化酶b PAC,促进皮下RIN-m5F胰岛beta细胞移植瘤分泌胰岛素,使其糖耐量表现与正常对照组无显著性差异;将基于上转换材料的细胞光遗传学代替传统光遗传学直接的蓝光刺激,在注射UCNPs的基础上,40 min的NIR照射使RIN-m5F细胞荷瘤糖尿病裸鼠血糖值由15-20 mmol/L范围内波动降低至3.7 mmol/L。总之,本论文的研究工作在细胞和动物水平上充分说明了基于上转换材料的细胞光遗传学技术在细胞胰岛素分泌和动物血糖调控等方面的应用。本研究工作展示了将上转换材料与细胞光遗传学技术相结合的先进性,同时也为未来糖尿病疾病的治疗提供了新的思路和方案。

关键词： 先天性心脏病   基因变异   剪接位点变异   Minigene技术  

摘要： 背景先天性心脏病(Congenital heart disease,CHD)是一类由胚胎期心血管发育异常导致的心脏及大血管结构功能缺陷疾病,居婴幼儿出生缺陷首位,活产儿发病率为10‰～12‰。CHD依据生理解剖学可划分为间隔缺损、梗阻性缺陷及复杂性心血管畸形,依据有无合并其它缺陷可分为综合征型CHD和单纯型CHD。CHD病情严重者可降低生活质量甚至导致死亡。因此,积极寻找病因并预防下一代缺陷是如今针对CHD的有效手段。除环境因素以外,遗传因素在CHD病因中占据重要角色,包括染色体异常、拷贝数变异及基因变异。基因变异又细分为小的插入、缺失和单核苷酸变异。目前研究已发现至少50余种CHD相关基因,但由于CHD临床表型多有交叉,不同家庭可能存在不同遗传背景,CHD的致病基因鉴定尚不完全明确,仍有相当部分的CHD相关基因及其变异有待深入研究。目的本研究采用全外显子组测序技术(Whole Exome Sequencing,WES)对5个排除染色体及CNV异常的CHD家系进行致病基因变异分析,明确其遗传背景,帮助判断再发风险,为这类家系遗传咨询及产前诊断提供指导依据。同时针对其中1个家系所发现的TBX5基因c.663+1G>C新剪接位点变异进行体外功能鉴定,探究变异引起异常剪接的机制,综合评价该变异的致病性。方法(1)采集患者病史及家族史,绘制家系图,提取家系部分人员血液基因组DNA,采用WES技术进行致病基因筛选,结合疾病相关数据库(ClinVar,HGMD)及多种生物信息学软件(SIFT、Polyphen2、Mutation Taster、VarSite)进行分析,使用ACMG指南综合评价候选基因变异致病性。(2)采用Minigene技术进行实验,选取pEX-3作为质粒载体,将新剪接位点变异所在内含子及其前后2个外显子作为目的基因,分别构建野生型及突变型重组质粒,转染至HEK293T细胞,提取RNA并反转录,琼脂糖电泳得到cDNA条带,最后对cDNA条带进行测序,以此鉴定目的基因表达的mRNA产物差异,来分析体外正常和变异基因的剪接能力。结果(1)CHD-01 家系检测到FBN1基因(NM00138)c.2113G>A杂合变异,CHD-02家系检测到FBN1基因(NM00138)c.6772T>C变异,均为明确的致病变异,可导致常染色体显性遗传的Marfan综合征。(2)CHD-03 家系检测到FGF13 基因(NM04114)c.227G>A变异,经ACMG指南评为意义不明变异,变异可导致X染色体显性/隐性遗传的发育性癫痫性脑病90型;CHD4基因(NM01273)c.2249C>T变异经ACMG指南评为致病变异,变异可导致染色体显性遗传的Sifrim-Hitz-Weiss综合征。(3)CHD-04 家系检测到GDF1基因(NM01492)c.1047050delCTTT及c.478G>T复合杂合变异,ACMG指南均评为意义不明变异,可导致常染色体隐性遗传的右心房异构疾病及常染色体显性遗传的多型先天性心脏病。(4)CHD-05 家系检测到TBX5 基因(NM00192)c.663+1G>C变异,ACMG指南评为致病变异,变异可导致常染色体显性遗传的Holt-Oram综合征。(5)针对CHD-05家系TBX5基因c.663+1G>C新剪接位点变异进行Mingene技术实验,结果表明野生型目的基因正常转录剪接去内含子,得到成熟mRNA,而突变型目的基因缺失了相应的条带,说明c.663+1G>C变异的存在使mRNA前体在剪接内含子时出现错误,无法正常转录出成熟mRNA。结论(1)CHD-01家系及CHD-02家系诊断为FBN1基因变异导致的Marfan综合征;CHD-03家系为CHD4基因变异导致的Sifrim-Hitz-Weiss综合征;CHD-04家系为GDF1基因变异导致的右心房异构疾病;CHD-05家系为TBX5基因变异导致的Holt-Oram综合征。(2)检出的2个明确的致病变异及5个可疑致病变异丰富了CHD的致病基因变异谱,为这类存在CHD临床表型的家系遗传咨询及产前诊断提供了指导思路,为再发风险判断提供了重要依据。(3)Mingene技术在转录水平鉴定出TBX5基因c.663+1G>C新剪接位点变异导致异常剪接,使基因无法正常转录,进而可能影响转录因子TBX5蛋白的结构和功能。实验丰富了对TBX5基因c.663+1G>C的致病性研究,为该变异导致CHD-05家系罹患Holt-Oram综合征提供了实验依据。

关键词： 成人型弥漫性胶质瘤   平均表观传播扩散磁共振成像   q-空间逆方差   成人型弥漫性胶质瘤   平均表观传播扩散磁共振成像   异柠檬酸脱氢酶   1p/19q联合缺失  

摘要： 第一部分DWI多模型定量技术在评估2、3级成人型弥漫性胶质瘤组织学等级中的价值目的:评估平均表观传播扩散磁共振成像(mean apparent propagation diffusion magnetic resonance imaging,MAP-MRI)在预测2、3级成人型弥漫性胶质瘤组织学等级中的诊断性能,并与扩散张量成像(diffusion tensor imaging,DTI)和扩散峰度成像(diffusion kurtosis imaging,DKI)进行比较。材料与方法:在这项前瞻性研究中,招募了于2018年6月至2021年9月期间42例经病理学诊断为2、3级成人型弥漫性胶质瘤的患者,治疗前进行了常规MRI和扩散成像扫描。测量肿瘤实体部分的平均和极限扩散参数,参数包括均方位移(mean square displacement,MSD)、非高斯性(non-gaussianity,NG)、q空间逆方差(q-space inverse variance,QIV)、回归原点的概率(return to the origin probability,RTOP)、平均扩散系数(mean diffusivity,MD)、各向异性分数(fractional anisotropy,FA)和平均扩散峰度(mean kurtosis,MK)。在Bonferroni校正后,对具有统计学意义的扩散参数进行了综合评估,评估方法包括受试者工作特征(receiver operating characteristic,ROC)曲线、正确分类百分率(correct classification percentage,CCP)、综合判别改善指数(integrated discrimination improvement,IDI)、重分类改善指标(net reclassification improvement,NRI)和K折交叉验证。结果:在2、3级成人型弥漫性胶质瘤中,3级组的平均和最小QIV小于2级组(P'<0.01),而平均和最大MK、NG和RTOP大于2级组(P'<0.05)。MD、MSD和FA在组间未见差异(P'>0.05)。各扩散参数的曲线下面积(area under curve,AUC)和CCP取值范围分别为0.812～0.973/0.719～0.906,其中平均QIV同时具有最高的AUC和CCP(分别为0.973和0.906),并且在5折交叉验证后依然显示出了很高的诊断效能(AUC=0.944)。此外,对于鉴别2、3级成人型弥漫性胶质瘤,平均和最大NG优于平均和最大MK(IDI=0.408、0.266;NRI>0),但是稳定性相对较低(AUC=0.267～0.444)。结论:MAP-MRI有效的预测了2、3级成人型弥漫性胶质瘤组织学等级,并且可能优于DTI和DKI。第二部分DWI多模型定量技术在评估成人型弥漫性胶质瘤主要遗传学特征中的价值目的:评估平均表观传播扩散磁共振成像(mean apparent propagation diffusion magnetic resonance imaging,MAP-MRI)在预测成人型弥漫性胶质瘤异柠檬酸脱氢酶(isocitrate dehydrogenase,IDH)1/2突变及1号染色体的短臂和19号染色体的长臂(1p/19q)联合缺失基因分型中的诊断性能,并与扩散张量成像(diffusion tensor imaging,DTI)和扩散峰度成像(diffusion kurtosis imaging,DKI)进行比较。材料与方法:在这项前瞻性研究中,招募了于2018年6月至2021年9月期间经病理学诊断为成人型弥漫性胶质瘤的患者,治疗前进行了常规MRI和扩散成像扫描。测量肿瘤实体部分的平均和极限扩散参数。在Bonferroni校正后,对具有统计学意义的扩散参数进行了综合评估,评估方法包括受试者工作特征(receiver operating characteristic,ROC)曲线、正确分类百分率(correct classification percentage,CCP)、综合判别改善指数(integrated discrimination improvement,IDI)、重分类改善指标(net reclassification improvement,NRI)和K折交叉验证。结果:该研究包括67名患者(平均年龄,50±12岁[标准差];35名男性)。我们发现IDH野生型组和IDH突变型组的平均扩散系数(mean diffusivity,MD)、均方位移(mean square displacement,MSD)、q空间逆方差(q-space inverse variance,QIV)、