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    生物技術前沿一周縱覽(2014年3月14日)

    2014-07-02 21:09 | 作者: 基因農業網 | 標簽: 生物技術前沿一周縱覽

    揭示miRNA調控玉米穗發育的機制
     
    microRNA(miRNAs)是一類內源性的非編碼小RNA,在植物的多種生理過程中發揮重要調控作用,包括代謝、激素反應、轉座子的表觀遺傳控制、脅迫應答等。研究人員應用高通量測序和芯片技術對玉米多個花序發育階段的miRNA及其靶基因進行了系統鑒定和分析。研究人員使用深度測序、miRNA微陣列芯片,以及生物信息學方法鑒定和分析了玉米在四個穗發育階段中的保守和新的miRNA,發現了22個保守的和21個玉米特異的miRNA家族以及相應的miRNA。通過比較上述發育階段的miRNA表達譜,發現18個差異表達的miRNA家族。此外,研究人員采用降解組測序鑒定出102個小RNAs,包括98個miRNAs和4個ta-siRNA,靶向調控的141個基因(251個轉錄本),并重點探討了差異表達miRNA介導的調控玉米穗發育的通路。在鑒定到的靶基因中,62個差異表達miRNA調控的72個基因(117個轉錄本)可能參與玉米發育。上述研究發現和表征的玉米中重要的調控基因將幫助我們更好地理解控制穗發育的分子機制。(BMC Genomics
     
     
    破譯芝麻遺傳密碼
     
    在主要油料作物的種子中,芝麻的含油量平均較高,一般約為種子干重的50%~60%,最高可達65%,但其油脂合成基因相對較少。較高含油量和較小的基因組,使芝麻成為研究油脂合成的重要物種。雖然芝麻油脂合成基因總數較少,但與油脂分子轉運有關的基因LTP1較大豆等顯著擴張,其數量達34個,其中29個呈串聯重復的形式分布在4個基因簇,這些基因90%具有種子表達活性。同時,與油脂降解有關的基因LOXLAH顯著收縮。因此,研究人員推測芝麻高含油量的形成,得益于高效的轉運和穩定的積累。他們還發現,芝麻含油量的差異主要產生于籽粒發育早期(10天左右)基因表達的差異,在芝麻三酰甘油合成的最后一步中,PDAT途徑的差異對芝麻含油量高低的形成具有影響。該團隊還發現在芝麻基因組中TIR結構完全丟失,這是在全基因組水平發現的第一個完全缺失TIR結構的物種,為研究植物抗病基因進化提供了新范例。(Genome Biology
     
     
    木質素研究新發現為未來研究導航
     
    在木本植物中,木質素占25%,是世界上第二位最豐富的有機物(纖維素是第一位)。它在工農業生產中的作用不可忽視,高含量的木質素是造紙工業的限制因素,增加了制漿造紙過程的成本與消耗,加劇了環境污染。此外,木質素不容易被食草動物消化,降低了飼料作物如苜蓿的營養價值。一項跨學科的木質素研究提供了一種新方法,將基因、蛋白質、植物化合物和工程結構模型的知識整合起來,以理解植物如何形成生長發育所需要的產物及結構,這一整合性的研究工作,為未來研究人員理解任何復雜的生物學特性,設置了一種新標準??鐚W科研究小組純化了21種途徑酶,完成所有21種酶的定量,分析了189種與木質素形成有關的不同參數,開發了預測途徑酶如何影響木質素含量和組分的模型,以及其中一種酶構成的一種新的四組分結構。這種模型,目前可以預測木質素數量和組分的變化,以及為什么很難在植物中改變木質素。這種類似GPS導航的研究結果,能夠減少未來研究所需的研究時間,也為復雜的生物過程類的研究指出了一種成功的方法。(The Plant Cell
     
     
    細菌IV型分泌系統解開細菌抗生素抗性基因蔓延之謎
     
    研究顯示,細菌IV型分泌系統能夠在細胞間分配遺傳物質,尤其是抗生素抗性基因,這一機制直接導致了醫院環境中的抗生素耐藥性傳播。此外,它還在引發潰瘍、百日咳、軍團病一類嚴重肺炎的感染毒素分泌過程起至關重要的作用。新研究從分子結構和分泌機制等方面揭示出IV型分泌系統顯著不同于其他的細菌分泌系統。利用電子顯微鏡,研究人員設法重建了在大腸桿菌中觀察到的IV型分泌系統。這一結構由兩個獨立的復合物構成,一個在細胞外膜,另一個在細胞內膜,通過一個跨細胞周質(兩膜之間的空間)的柄狀結構連接。內膜和外膜上的這些復合物形成了膜孔道,一些物質可通過這些膜孔道分泌出來。了解這一分泌系統的結構將幫助科學家們揭示細菌移動一些物質穿過內膜和外膜的機制,這有可能最終幫助科學家們開發出一些人類細胞遺傳修飾新工具,以細菌作為遺傳物質載體,將它們分泌到細胞之中。了解細菌的分泌系統有可能幫助設計出一些新型化合物阻斷這一分泌過程,由此阻止抗生素抗性基因傳播。由于抗生素耐藥已變得如此普遍,成為了人類健康的一個重大威脅,這項研究工作有可能對抗菌劑領域未來的研究產生相當大的影響。(Nature)
     
     
    Argonaute 在細菌中起防止DNA入侵的作用
     
    RNA 干涉 (RNAi) 在真核細胞中的一個功能是,通過一個過程來保護細胞不受外來“小單鏈RNA” (ssRNAs) 的影響。在這個過程中,被主體編碼的短RNA結合同源RNA目標,并介導它們的降解。Argonaute (Ago) 是真核細胞中由RNA引導的RNAi通路的一個關鍵酶。很多原核生物也具有編碼Ago的基因,但它們的生理作用此前仍不清楚。新的研究發現,原核生物的Ago (來自細菌Thermus thermophilus) 保護細胞不受DNA而不是RNA入侵。在本例中,Ago被加載了miRNA (與來自質體DNA的miRNA相似),后者結合并掀開互補的DNA鏈。(Nature)
     
     
    新型DNA分析策略助力土壤宏基因組研究
     
    傳統的“鳥槍法”DNA測序工作就像撕碎整個圖書館的圖書,然后在一大堆碎屑中進行再組裝。為使浩瀚數據的分析效率提高,科學家們就基因組測序的后續數據分析方法做了不少探索研究。Brown等使用了一種壓縮方法,這種方法與大型計算機文件(例如JPEG圖像)通過互聯網傳遞有共同之處,可使大量的數據被舍棄而沒有減少實際數據。研究人員依靠這種被命名為“數字歸一化(digital normalization)的方法完成了迄今最大的土壤DNA測序工作,使土壤宏基因組學研究所需的計算減少了2~200倍。該策略使困難的分析變得更加容易,使不可能實現的分析(特別是土壤宏基因組分析)變得容易接近,此外,還顯著提高了困難生物的基因組裝配,使轉錄組裝配變得簡單。宏基因組序列分析,為更好地理解一般土壤群落的功能,以及不同土壤生態系統的成分、多樣性和功能的差異和相似之處,提供了研究手段。并為促進未來土壤和其它復雜環境的研究,提供重要的參考。使用這種簡單策略還可拓展諸多方面的研究,如,提高把遺傳學信息與生態功能聯系起來的能力;建立“基因和生物體如何在土壤中進化”的模式以產生診斷工具,用于改善土壤管理、碳封存、生態系統服務和生產力。(PNAS
     
     
    解析RNA去甲基化酶晶體結構
     
    6-甲基腺嘌呤(N6-methyladenosine,m6A)是哺乳動物mRNA中最普遍和含量最豐富的一種RNA甲基化形式,也曾在植物和病毒的RNA中被發現過。m6A作為mRNA中存在的主要甲基化形式,可參與mRNA剪接、運輸等加工過程,在基因表達調控中發揮重要的作用。m6A甲基化是可逆的,可在時間和空間上通過甲基轉移酶和脫甲基酶調控。Alkbh5屬于AlkB家族,是RNA脫甲基酶,能夠在體外和體內去除m6A的修飾,這種可逆m6A甲基化參與調控mRNA表達水平和RNA代謝過程。鑒于Alkbh5作為m6A RNA脫甲基酶的顯著生物學作用,闡明Alkbh5脫甲基活性的分子機制非常重要。研究人員分析了Alkbh5催化核心的5個高分辨率晶體結構,相比較其他AlkB蛋白,Alkbh5在這個家族典型的保守雙鏈β螺旋頂部,顯示出幾個獨特的結構特性,分析這些獨特結構,為理解Alkbh5的底物識別特異性提供了結構基礎,并為抗AlkB家族成員的選擇性藥物設計提供了依據。(Journal of Biological Chemistry
     
     
    酶穩定化機制及策略研究獲進展
     
    作為高效、環境友好的生物催化劑,酶在生物材料、醫藥、能源等工業領域具有重要應用,但由于天然酶的生物學穩定性低、易失活,極大地限制了現代生物產業的發展。探討酶穩定性機制、建立有效的酶穩定化策略已成為生物學和蛋白質工程中具有挑戰性的工作。研究者提出了“酶活性中心穩定化”策略,即針對酶活性中心區域柔性較高、構象易變的特點,通過定向結構修飾來提高其剛性,從而提高酶動力學穩定性。研究人員在制備突變體晶體結構時發現,在保持酶活性中心原有骨架基礎上,提高其內部二級結構穩定性是改善酶動力學穩定性的有效手段。 該研究有望為生物催化提供高穩定性新酶源,還可能為合成生物學設計、定制新型生物元件提供指導。(The Journal of Biological Chemistry)。
     
     
    一個C-型凝集素可抑制蝦血淋巴菌群
     
    健康的脊椎動物或無脊椎動物,在其提供的微環境中與不同的細菌群落形成共生體。近年來,對于這種共生體建立機制的研究,已經取得了重大進展。在一些健康的無脊椎動物(如蝦)中,細菌不僅存在于消化道,而且還存在于循環的血淋巴內。然而,對于血淋巴菌群內穩態的調節機制,在很大程度上仍然未知,研究人員也一直未發現在這種富營養環境中抑制細菌增殖的因子。無脊椎動物的C-型凝集素(CTLs),不僅經由糖識別域CRD有效參與病原體識別的最初階段,而且還參與不同的抗菌效應物功能,例如固定、吞噬作用和清除、封裝、瘤節形成、酚氧化酶原系統/黑化作用的激活等。研究人員確定和描述了一個在血細胞中高度表達的CTL,它存在于斑節蝦(Marsupenaeus japonicus)的血漿中,具有很高的商業價值,研究人員稱其為MjHeCL(M. japonicushemocyte C-type lectin)。盡管MjHeCL的表達不受微生物挑戰的影響,但是研究人員發現,通過RNA干擾沉默其表達,能引起蝦血淋巴中細菌增殖失控,最終導致蝦死亡。一項機械學分析表明,MjHeCL通過調節抗菌肽的表達,能夠抑制細菌的增殖。MjHeCL在蝦免疫內穩態起關鍵的功能,可能是因為與其它凝集素相比,它能夠識別更廣泛的血淋巴微生物組分。這項研究闡述了MjHeCL在保持蝦健康狀態中的作用,為C-型凝集素的生物學意義提供了新的見解。(The Journal of Biological Chemistry
     
     
    可應用于疫苗研發的蛋白設計方法
     
    在一項采用計算蛋白設計方法來生成人“呼吸道合胞體病毒”(RSV)疫苗的新穎候選藥物的研究中,準確模仿一個RSV抗原表位結構的人造蛋白支架,被發現能在恒河猴身上誘導產生中和RSV的有效抗體。此研究所用的蛋白設計方法,即,表位集中和支架為基礎的疫苗的設計,進一步加以開發可用于多種其它目標的疫苗,包括抗原性高度可變的病原體,例如,人免疫缺陷病毒和流感。因此,在疫苗研發方面有可能獲得廣泛的應用。 (Nature)
     
     
    華人學者開發單細胞印刷術
      
    在傳統的細胞培養系統中,培養皿內的細胞是隨機分布的。如果你想要精確定位這些細胞,控制它們的間隔、排列及相互作用,一般細胞培養無法提供這一層面上的控制,但一個微流體單細胞印刷裝置可以幫你做到這一點。在被稱作BloC-Printing的“印刷”裝置中,由聚二甲基硅氧烷(PDMS)制造的微流體裝置里,細胞流經一系列管道并被鉤狀結構捕獲,形成了模子。這樣的模子可以被“印”在培養皿或載玻片上并取走,細胞以特定模式被保留了下來。這一技術對細胞完全無害,“細胞活性接近100%”。而此前的微流體設計都使用封閉的管道進行細胞捕獲和培養,結果很難直接對細胞進行分離或化學干涉。這項研究展示了排列細胞并進行培養的簡潔途徑,對細胞生物學研究的發展很有幫助。BloC-Printing可以通過定位和監控,分析細胞間的相互作用。其他可能的應用還包括組織工程和藥物研發,該技術特別適合篩選能改變細胞粘附或細胞通訊的化合物。研究人員利用這一技術,將染色的成纖維細胞放在未染色的成纖維細胞旁邊,觀察了染料通過間隙連接的轉移過程。此外,單細胞印刷裝置可以檢測癌細胞的遷移能力,甚至還能夠兼容初級神經元。(PNAS

     

    來源:基因農業網

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