遺傳的印記
創新之路
作者：徐賽
2014年12月12日，國際著名病原學期刊《科學公共圖書館-病原》（PLOS Pathogens）在線發表了中國科學技術大學吳清發教授研究團隊與中國農業科學院植物保護研究所李世訪研究員研究團隊合作的研究成果——在蘋果鏽果病樣品中發現一種新的具有核酶活性的環狀RNA的最新成果。這一突破性發現引起了業界學者專家和各大媒體的高度關注，而吳清發教授和他近年一直從事的基因組學和生物信息學研究，也從幕後走到了台前。
探尋環狀RNA的真麵目
一直以來，被稱作蘋果鏽果病的嚴重病害困擾著果農。一旦蘋果樹被感染後，果實就會出現鏽果、開裂或花斑等症狀，影響果實質量。上世紀80年代，在研究蘋果鏽果病時，中國農業科學院興城果樹研究所的果樹病毒專家劉福昌研究員和日本果樹病毒專家小金澤碩城均從蘋果中分離到一種關鍵遺傳物質——特殊環狀RNA。但是，限於檢測及分析技術的限製，一直未能揭示出它的真麵目。
植物病毒和類病毒在植物體內複製時，會形成雙鏈RNA的特殊核酸分子，這種核酸分子可被植物細胞內的防禦蛋白Dicer識別，產生長度為21-24堿基的siRNA。應用最新測序技術對植物的所有的小RNA測序，然後對測序數據進行生物信息學分析，可以獲得植物病原體的信息。在傳統的研究中，科學家所依賴的生物信息學工具主要是序列同源比對方法，對獲得的數據進行分類和功能預測，鑒定出與已知病原體遺傳物質具有一定同源性的新病原體序列，但對和已知序列沒有同源性的序列進行分類和功能預測仍然是目前生物信息學研究的難點。
植物類病毒的遺傳物質是特殊的RNA分子，在感染植物細胞中後可產生大量的相互重疊的來源該RNA分子的siRNA。吳清發研究組從2010年開始開發生物信息學鑒定發現新類病毒的PFOR算法，這種算法不依賴於已知類病毒遺傳物質的同源性，而是基於環狀RNA的結構特征而開發的非同源依賴的類病毒鑒定方法，因此可識別全新的類病毒。該工作於2012年發表在的美國科學院院刊（PNAS）上，在行業內部引起了廣泛的關注。
2012年，在一次國際會議中，吳清發教授結識了長期從事類病毒研究的李世訪研究員，並決定共同探究蘋果中環狀RNA的真麵目。在與李世訪團隊合作研究的過程中，他們又對PFOR的算法進行了優化和改進，獲得了具有並行處理能力的快速運算程序PFOR2，其運行速度比PFOR提高了38倍，從而能夠處理高通量測序獲得的大量數據。該程序可用於小RNA和RNA-seq數據分析，這為他們後來的研究創造了高效獨到的研究手段。依托於此，合作研究團隊采用了高通量測序（NGS）技術結合生物信息學分析的策略， 通過對含有環狀RNA的蘋果鏽果樣品進行分析，經過幾個月的摸索和反複驗證，他們終於拿到了該環狀RNA的全序列。
序列分析發現，該環狀RNA由434個核苷酸組成，是一種迄今為止從未公布的新的環狀RNA，其具有鱷梨日斑類病毒科的典型結構元件——核酶結構域並驗證了其自切能力。自我國報道後，美國、意大利等國研究人員的檢測結果也為此提供了有力的佐證。有意思的是，生化實驗表明，該環狀RNA正、負鏈均具有核酶活性，能夠進行自我剪切。該研究為進一步破解和防治相關果樹疾病奠定了重要基礎，也為今後從植物和動物中發現更多環狀RNA提供了新的思路和技術手段。而更為重要的是，PFOR2這種新型運算方法，可以利用RNA-seq數據來鑒定環狀RNA分子能力，這也將會極大促進植物類病毒的發現，對研究類病毒的起源和進化機製奠定了良好的基礎。
融入生命科學研究的新浪潮
從各種科學發展的普遍規律看，任何一輪實驗數據和觀測數據的大積累，都會引起一場新技術和新學科的革命。因而，世界各國科學家對基因組序列測定這場生命科學的新技術革命都報以極大的期望。