项目名称：基于多组学方法的模式生物嗜热四膜虫进化特征研究提名单位：中国科学院武汉分院提名意见：申报项目在模式生物嗜热四膜虫中建立了多个组学方法和技术、累积了大量基础的组学数据

并建设了相应数据库平台。经过多年研究积累，项目在四膜虫性别进化、组蛋白甲基化表观遗传调控通路的进化以及环境感知相关基因家族的进化特征等方面取得了一系列研究成果。该项目产出了 2篇影响因子大于 10的 SCI论文，分别发表于国际知名学术期刊《PLOS

Biology》和《Genes & Development》，研究结果被 Nature、Science、科学网等报道，成果在国际上产生较大影响。另外，相关组学方法和数据分析的论文被多个国际知名学术期刊引用，单篇他引 72次。建立的数据平台总访问量已突破 384047次，访问用户来自于 40多个国家或地区，成为了四膜虫研究的核心数据库。相关组学方法、数据及数据库平台为国际上研究该模式生物提供了重要支撑作用。提名该项目湖北省自然科学技术一等奖。项目简介：原生动物是一类单细胞真核生物，种类多、分布广，是研究真核生物重要生命特征及其

进化的良好对象。其中，四膜虫作为单细胞真核模式生物在基础研究中取得了一系列突破性成果：如核酶的发现（1989年诺贝尔化学奖），端粒、端粒酶的发现（2009年诺贝尔生理与医学奖），组蛋白乙酰化翻译后修饰功能的发现等等。随着 2006年嗜热四膜虫大核基因组的发布和组学及生物信息学技术方法的发展，嗜热四膜虫的研究进入了功能基因组学研究阶段。本项目代表论文 [1,2,3] 针对嗜热四膜虫构建了首个纤毛虫全基因组基因表达芯片

（Microarray）、二代转录组测序（RNA-seq）和磷酸化蛋白组分析平台，全面整合相关组学数据建立了四膜虫功能基因组数据库（Tetrahymena functional genomics database, TetraFGD,

http://tfgd.ihb.ac.cn/）[代表论文 4]，为国际上研究该模式生物提供了重要支撑。代表论文 5利用组学方法鉴定出嗜热四膜虫交配型决定基因，并提出交配型决定的分子机

制，解答了长期困扰原生动物学研究领域的难题，丰富了对性别起源进化的认识。研究结果作为《PLoS Biology》封面文章发表的当天，《Nature》和《Science》即进行了推荐介绍；《Current Biology》随后发表专文评述；《Science Daily》和科学网等数十家媒体对此工作进行了报道。代表论文 6结合组学和实验生物学方法发现嗜热四膜虫中组蛋白 H3K27甲基化在 DNA 复

制延 伸中的重要功能，证 明了表观遗传调控通路在真核生物进化上十分保 守。在2014《Biochimica et BiophysicaActa》的综述中被举例“首次发现组蛋白修饰不仅可以影响DNA 复制启动，还可以直接影响 DNA 复制延伸，从而完善了对组蛋白修饰功能的认识”。代表论文[7,8]结合组学和分子进化方法对四膜虫 P450和 ABC转运蛋白等基因家族的结构

进化和功能演化的模式和线路进行了全面分析，指出这些与环境感知和响应相关基因家族成员大量倍增的现象是四膜虫适应自由生活和异养性方式的结果。得到了 2015年 Elsevier Inc出

1

版的四膜虫专著《Methods in Cell Biology, Volume109:Tetrahymenathermophila》的专门评述。项目共发表论文 50 余篇，其中 8篇代表论文总影响因子为 47，SCI他引 198次，单篇最高

SCI他引 71次（附件 3），在原生动物学、基因组学和进化生物学等领域产生了重要影响。客观评价：1. 在由美国加州大学伯克利分校 Kathleen Collins 教授主编的、由 Elsevier Inc出版的四膜虫专著《Methods in Cell Biology, Volume109:Tetrahymenathermophila》中，专门介绍了代表论文 1 所建立的基因表达芯片平台，并对利用此平台发现的基因表达特征做出了评述：“ A separate,

international effort used the preliminary gene models to design a microarray platform（设计基因芯片平台） to evaluate genome-wide transcription patterns (Miao et al., 2009). Focusingon the three nutritional/developmental conditions of widest general interest – growthin rich medium, starvation, and the sexual process of conjugation – this team providedclear evidence that most of the predicted genes are indeed transcribed. The data alsorevealed many distinct developmental patterns of expression and showed that strongcorrelation of such patterns within a group of genes is often predictive of sharedbiological function. To house these very valuable data（非常有价值的数据）, the TetrahymenaGeneExpression Database was set up, linked to the correspondinggene model pages of TGD”，高度肯定了这一工作的价值。

2.国际四膜虫研究指导委员会主席、芝加哥大学 Aaron Turkewitz 教授在其构建的四膜虫共调控数据收 集系统（ Co-regulation Data Harvester）中，代表论文 4 四膜虫功能基因组数据库（TetraFGD，http://tfgd.ihb.ac.cn）的数据被直接调用，并成为核心数据之一。基于四膜虫共调控数据收集系统发表的文章中也对四膜虫功能基因组数据库做了引用并评述：“An extensive transcriptomic database（一个丰富的转录组数据库） , the Tetrahymena Functional Genomics DatabaseorTetraFGD, is also available for T. thermophila. These data were collected over a well-established range of culture conditions（收集了四膜虫生活史中重要时期的数据） in which T. thermophila undergoes large physiological changes. In addition to displaying individual expression profiles,theTetraFGD can indicate the statistical strength of co-expression between any two genes（标明了基因共表达关系之间的统计显著性） , as calculated using the Context Likelihoodof Relatedness (CLR) algorithm. Co-expression in T. thermophila,as judged based on mRNA levels, can reveal functionallysignificant co-regulation. Gene regulation in this species appearsto predominantly occur at the level of transcription, and sosteady-state mRNA levels may explain the majority of steady-stateprotein levels, as reported in other systems”。另外，其在文章中也对四膜虫功能基因组数据库提出了致 谢：“ We thank Naomi Stover(Bradley University, Peoria IL) and Wei Miao (Chinese Academy ofSciences, Wuhan PRC) for granting the Ciliate community accessto the TGD and TetraFGD, without which none of this work would be possible”。对于我们在代表论文 5中利用转录组数据精确预测了嗜热四膜虫 7种交配型的决定基因--7对“头对头”的基因对（a pair of genes arranged head-to-head）这一工作：

1. 《PLoS Biology》把此工作作为 2013年第三期封面文章，并以“Mating Type Determination in Tetrahymena: Last Man Standing”为题加以介绍，体现四膜虫交配型决定基因发现的重要性。

2. 《Nature》在题为“How a microbe chooses among seven sexes”的新闻和评述中援引芝加哥大学细胞生物学家 Aaron Turkewitz 的话 说 “ this research is the culmination of a long effort to understand the confusing genetic data of Tetrahymena（这项工作是对四膜虫遗传学难题多年努力的登顶之作)”。

3. 《Science》在题为“Seven Sexes on the Menu”的快讯中称“researchers have figured out the complex dance of DNA that determines the offspring's sex, and it's a random selection(研究者解答了随机选择并决定子代性别的“最复杂舞蹈“)”。对于代表论文 7-8在四膜虫中基因家族进化特征的研究：

1. 加州大学伯克利分校 Kathleen Collins 教授主编的《Tetrahymenathermophila》一书中引用并评述：“Fu et al. (2009) and Xiong et al. (2010) used the Tetrahymena genomic and transcriptomic resources to characterize two large families involved in such processes – the 165 ATP-Binding Cassette transporters and the 44 cytochrome P450 monooxygenases. First, manual sequence

2

alignments andcDNA sequencing allowed correction of mis-annotated gene structures. Phylogenetic analyses (including not only sequence-based studies but also those based on conservation of intron positions) and transcriptional ‘‘heat map’’ clustering allowed the subclassification of these large families, providing insights into their evolution and potential functions (对理解四膜虫中环境响应基因家族的进化和功能的深刻见解).”。

2.

代表性论文专著目录序号 论文名称/刊名/作者 影响因子 年、卷、

页码发表时间年月日

通讯作者/第一作者

1

Microarray Analyses of Gene Expression during the Tetrahymenathermophila Life Cycle / PLOS ONE / Miao, W (Miao, Wei); Xiong, J (Xiong, Jie); Bowen, J (Bowen, Josephine); Wang, W (Wang, Wei); Liu, YF (Liu, Yifan); Braguinets, O (Braguinets, Olga); Grigull, J (Grigull, Jorg); Pearlman, RE (Pearlman, Ronald E.); Orias, E (Orias, Eduardo); Gorovsky, MA (Gorovsky, Martin A.)

3.394 4(2）: e4429

2009 缪炜、Gorovsky, Martin A. /缪炜

2

Transcriptome Analysis of the Model Protozoan, Tetrahymenathermophila, Using Deep RNA Sequencing / PLOS ONE / Xiong, J (Xiong, Jie); Lu, XY (Lu, Xingyi); Zhou, ZM (Zhou, Zhemin); Chang, Y (Chang, Yue); Yuan, DX (Yuan, Dongxia); Tian, M (Tian, Miao); Zhou, ZG (Zhou, Zhigang); Wang, L (Wang, Lei); Fu, CJ (Fu, Chengjie); Orias, E (Orias, Eduardo); Miao, W (Miao, Wei)

3.394 7(2）: e30630

2012 缪炜/ 熊杰

3

Phosphoproteomic Analysis of Protein Phosphorylation Networks in Tetrahymenathermophila, a Model Single-celled Organism / MOLECULAR & CELLULAR PROTEOMICS / Tian, M (Tian, Miao); Chen, XL (Chen, Xiulan); Xiong, Q (Xiong, Qian); Xiong, J (Xiong, Jie); Xiao, CL (Xiao, Chuanle); Ge, F (Ge, Feng); Yang, FQ (Yang, Fuquan); Miao, W (Miao, Wei)

6.759 13(2）: 503-519

2014缪炜、葛峰、杨福全/ 田苗、熊

倩、陈秀兰

4

Tetrahymena Functional Genomics Database (TetraFGD): an integrated resource for Tetrahymena functional genomics / DATABASE-THE JOURNAL OF BIOLOGICAL DATABASES AND CURATION / Xiong, J (Xiong, Jie); Lu, YM (Lu, Yuming); Feng, JM (Feng, Jinmei); Yuan, DX (Yuan, Dongxia); Tian, M (Tian, Miao); Chang, Y (Chang, Yue); Fu, CJ (Fu, Chengjie); Wang, GY (Wang, Guangying); Zeng, HH (Zeng, Honghui); Miao, W (Miao, Wei)

3.974 bat008 2013缪炜、曾宏辉/

熊杰、陆钰明、冯金梅

5

Selecting One of Several Mating Types through Gene Segment Joining and Deletion in Tetrahymenathermophila / PLOS BIOLOGY / Cervantes, MD (Cervantes, Marcella D.); Hamilton, EP (Hamilton, Eileen P.); Xiong, J (Xiong, Jie); Lawson, MJ (Lawson, Michael J.); Yuan, DX (Yuan, Dongxia); Hadjithomas, M (Hadjithomas, Michalis); Miao, W (Miao, Wei); Orias, E (Orias, Eduardo)

10.206 11(3）: e1001518

2013缪炜、Orias,

Eduardo/ Cervantes, Marcella D

6

Impaired replication elongation in Tetrahymena mutants deficient in histone H3 Lys 27 monomethylation / GENES & DEVELOPMENT / Gao, S (Gao, Shan); Xiong, J (Xiong, Jie); Zhang, CC (Zhang, Chunchao); Berquist, BR (Berquist, Brian R.); Yang, RD (Yang, Rendong); Zhao, M (Zhao, Meng); Molascon, AJ (Molascon, Anthony J.); Kwiatkowski, SY (Kwiatkowski, Shaina Y.); Yuan, DX (Yuan, Dongxia); Qin, ZH (Qin, Zhaohui); Wen, JF (Wen, Jianfan); Kapler, GM (Kapler, Geoffrey M.); Andrews, PC (Andrews, Philip C.); Miao, W (Miao, Wei); Liu, YF (Liu, Yifan)

11.414 27(15）: 1662-1679

2013 缪炜、Liu, Yifan/ Gao, Shan、熊杰

7

Genome-wide identification and characterization of cytochrome P450 monooxygenase genes in the ciliate Tetrahymenathermophila/ BMC GENOMICS / Fu, CJ (Fu, Chengjie); Xiong, J (Xiong, Jie); Miao, W (Miao, Wei)

4.284 10）: 208 2009 缪炜 / 傅诚杰

3

8

Genome-wide identification and evolution of ATP-binding cassette transporters in the ciliate Tetrahymenathermophila: A case of functional divergence in a multigene family / BMC EVOLUTIONARY BIOLOGY / Xiong, J (Xiong, Jie); Feng, LF (Feng, Lifang); Yuan, DX (Yuan, Dongxia); Fu, CJ (Fu, Chengjie); Miao, W (Miao, Wei)

3.628 10: 330 2010 缪炜 / 熊杰

主要完成人情况表排 名 1 姓名 缪炜 性别 男 国籍 中国 党派 共产党

工作单位 法人单位名称：中国科学院水生生物研究所 行政职务 中心副主任具体二级单位名称：水生生物分子与细胞生物学研究中心完成单位 中国科学院水生生物研究所 所 在 地 武汉

单位性质 事业单位参加本项目的起止时间 2007年 至 2015年对本项目技术创造性贡献：提出研究总体思路和方案，组织领导项目实施，指导和参与青年科研人员及研究生进行实验设计、数据

分析，撰写论文，是此项研究工作中主要学术思路的提出者，也是 8篇代表作的通讯作者。本项研究工作占本人工作时间 90%以上。

排 名 2 姓名 熊杰 性别 男 国籍 中国 党派 共产党工作单位 法人单位名称：中国科学院水生生物研究所 行政职务 无具体二级单位名称：水生生物分子与细胞生物学研究中心完成单位 中国科学院水生生物研究所 所 在 地 武汉

单位性质 事业单位参加本项目的起止时间 2007年 至 2015年对本项目技术创造性贡献：

完成了嗜热四膜虫生活史的转录组测序、方法建立以及数据分析，通过整合四膜虫组学数据构建了四膜虫功能基因组数据库平台，在此基础上，揭示了：1）嗜热四膜虫 ABC转运蛋白超基因家族进行了鉴定及表达进化，提出了四膜虫中大量扩张的、与环境响应相关的 ATP结合盒转运蛋白基因超家族通过基因融合形成不同结构的进化路线；2）组蛋白 3 第 27 号赖氨酸单甲基化对 DNA 复制延伸的影响，证实了真核生物中组蛋白修饰与DNA 复制间保守进化通路的存在。是论文 2，4，6，8的第一作者。本项研究工作占本人工作量的 90%以上。

排 名 3 姓名 葛峰 性别 男 国籍 中国 党派 共产党工作单位 法人单位名称：中国科学院水生生物研究所 行政职务 超算中心主任具体二级单位名称：水生生物分子与细胞生物学研究中心完成单位 中国科学院水生生物研究所 所 在 地 武汉

单位性质 事业单位参加本项目的起止时间 2010年 至 2015年

4

对本项目技术创造性贡献：完成了嗜热四膜虫生活史的磷酸蛋白质组学的研究工作，通过综合应用最新的蛋白和肽段分离技术、TiO2磷

酸肽富集技术和高分辨质谱分析技术，分析了嗜热四膜虫的磷酸化蛋白及其修饰位点 , 鉴定了 1008个磷酸化蛋白和分布于这些蛋白中的 2238个磷酸化位点。这些磷酸化蛋白涉及代谢等多个重要生物学过程等 ,表明磷酸化修饰在信号转导过程中起重要调控作用。是论文 3的共同通讯作者。本项研究工作占本人工作量的 30%以上。

5

排 名 4 姓名 曾宏辉 性别 男 国籍 中国 党派 共产党工作单位 法人单位名称：中国科学院水生生物研究所 行政职务 无具体二级单位名称：中国科学院超级计算环境武汉分中心完成单位 中国科学院水生生物研究所 所 在 地 武汉

单位性质 事业单位参加本项目的起止时间 2009年 至 2015年对本项目技术创造性贡献：设计并参与四膜虫功能基因组数据库建设，负责数据库系统的部署和日常管理及维护，是代表论文 4的通讯

作者之一。本项研究工作占本人工作量的 30%以上。排 名 5 姓名 袁冬霞 性别 女 国籍 中国 党派 共产党

工作单位 法人单位名称：中国科学院水生生物研究所 行政职务 无具体二级单位名称：水生生物分子与细胞生物学研究中心完成单位 中国科学院水生生物研究所 所 在 地 武汉

单位性质 事业单位参加本项目的起止时间 2009年 至 2015年对本项目技术创造性贡献：

参与了嗜热四膜虫生活史转录组测序研究、四膜虫功能基因组数据库构建，四膜虫交配型决定基因的鉴定、组蛋白 3 第 27 号赖氨酸单甲基化对 DNA 复制延伸影响的研究等工作，对代表论文 2,4,5,6,8 均作出了贡献。本项研究工作占本人工作量的 50%以上。

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