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四膜虫(Tetrahymena)是一种全球分布的、常见的原生动物，隶属于纤毛门(Cilipphora)，寡膜纲(Oligohymenophprea)，膜口目(Hymenostomatida)。其中嗜热四膜虫(T.thermophila)因其可在实验室纯培养且传代速度快、遗传背景清楚、分子遗传学技术成熟等特点而成为了一种优良的真核模式生物。以嗜热四膜虫为研究对象在基础研究领域里取得了一系列重要的成果，如核酶的发现、端粒与端粒酶的发现、组蛋白翻译后修饰功能和大核发育中DNA重整的RNAi模型等。随着2006年嗜热四膜虫大核基因组的发布和近年来组学及生物信息学技术方法的迅猛发展，嗜热四膜虫的研究进入了功能基因组学研究阶段。本研究针对利用基因芯片和转录组测序这两个高通量技术产生的大量嗜热四膜虫转录组数据，进行了全面的分析，取得了以下重要研究结果：
1)基因表达数据的一个重要作用是用于对基因表达进化和功能分化的分析。嗜热四膜虫细胞内参与感知(sensing)和应对(responding)环境变化的基因家族得到大量的扩增，如ABC转运蛋白(ATP-binding cassette transporters，ABC transporters)超基因家族。我们利用同源性搜索和实验验证，鉴定得到了165个嗜热四膜虫ABC转运蛋白基因；对其系统发育关系的分析结果显示，嗜热四膜虫中大量倍增的ABC转运蛋白基因是由相对近期的基因复制(geneduplication)产生，时间大约为61.5百万年-112.7百万年(Mya)，发生在四膜虫与草履虫分化之后；结合系统发育和基因芯片表达数据，对嗜热四膜虫的ABC转运蛋白基因家族进行了表达进化分析，发现基因的表达分化已经在系统发育树的大部分进化枝内发生；进而综合祖先节点表达状态、同义突变率、正选择位点及毒物诱导情况下的基因表达情况等信息，对近期复制产生的两串连重复基因复制后在基因组中保留的原因进行考察，发现嗜热四膜虫中ABC转运蛋白基因复制后发生表达分化并在基因组中保留下来的模式更符合新功能化模型和剂量平衡模型。
2)基因芯片数据的另一个重要应用是用于构建基因网络。基于67个嗜热四膜虫基因芯片数据，我们利用三种方法(Pearson Correlation Coefficient，PCC；Spearman Correlation Coefficient，SCC；Context Likelihood of Relatedness，CLR)构建了四膜虫的基因网络。以酿酒酵母中的核糖体大亚基(cytoplasmicribosomal large subunit)、核糖体小亚基(cytoplasmic ribosomal smallsubunit)、20S蛋白水解酶体核心颗粒(20S proteasome core particle)和19S蛋白水解酶体调节颗粒(19S proteasome regulatory particle)四个蛋白复合体的相互作用关系为参照，对三种方法网络推断效果进行了评价，发现CLR方法无论准确性还是覆盖度方面均明显优于其他两种方法。通过确定CLR所构建网络的合适阈值，确定了最终的四膜虫基因网络(Tetrahymena gene network，TGN)。在此基础上，鉴定了四膜虫基因网络的模块(modules)并进行功能分析，其中模块-1涉及到嗜热四膜虫大核发育过程中的DNA重排过程，而模块-2则与能量代谢密切相关；对四膜虫基因网络的中心节点基因(hubs)进行了分析，发现其可以按表达模式分为6类，对这6类中心节点基因的功能分析表明其功能与表达模式显著相关。此外，我们还对在嗜热四膜虫中存在的、但酿酒酵母中缺失的、与人类疾病相关基因的直系同源基因的四膜虫基因网络进行了分析，结果表明嗜热四膜虫中某些直系同源基因可能在分子水平上具有与人类非常类似的功能，提示嗜热四膜虫可作为潜在的人类疾病相关基因研究的单细胞模式生物。
3)利用二代测序技术，对嗜热四膜虫生活史中的三个生理和发育阶段的6个RNA样品进行测序，得到了约14 Gb数据。通过与基因组数据的比较，发现嗜热四膜虫转录组大小约为57 Mb，覆盖了96％的四膜虫预测基因；对转录组数据鉴定得到的剪接位点分析的结果显示，超过7千个基因模型的预测有误；因此，转录测序的结果大大的提高了嗜热四膜虫的基因注释信息。利用转录组数据拼接的转录本考察了嗜热四膜虫基因的UTR长度，并鉴定得到一千多个新转录区域。对转录组数据分析的另一个重要发现是，嗜热四膜虫中存在1286个(5.2%)选择性剪接基因，是目前已报道单细胞真核生物中最多的；进一步分析发现其中约30%的选择性剪接能产生含提前终止密码子(premature termination codons，PTCs)的转录本，因此可能会被无义介导的mRNA降解(nonsense-mediated mRNAdecay，NMD)通路进行降解，从而实现对基因表达的转录后调控。另外，利用对两种不同交配型的转录组测序结果进行比较，鉴定得到了潜在的嗜热四膜虫交配型决定基因，为揭示嗜热四膜虫交配型决定机制奠定了坚实基础。
4)通过整合嗜热四膜虫基因芯片数据、转录组测序数据和基因网络数据，我们设计并建立了四膜虫功能基因组数据库(Tetrahymena functional genomicsdatabase，TetraFGD，http：//tfgd.ihb.ac.cn/)。数据库设计了多种搜索途径，如基因ID、关键词、转录本ID、基因的位置信息和序列等。通过这些简单易用的搜索功能，为研究人员提供了嗜热四膜虫基因表达、基因模型与序列和基因间相互作用等重要的信息，TetraFGD已成为国际四膜虫研究的重要基因组数据资源。