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    生物技術前沿一周縱覽(2014年1月17日)

    2014-07-02 22:21 | 作者: 基因農業網 | 標簽: 生物技術前沿一周縱覽

    測序飛蝗基因組有望推動飛蝗防控

    蝗蟲具有群集和長距離遷徙特性,蝗災被視作農業上最具破壞性的自然災害,曾造成巨大的經濟損失。來自中科院動物研究所、華大基因研究院以及中科院北京生命科學研究院的科學家們已成功地解開了蝗蟲(locust)的遺傳密碼,揭示出了“數百個”可以成為殺蟲劑靶標的基因。這一蝗蟲的遺傳密碼相當的大——達到6.5 Gb,是迄今為止最大的測序昆蟲基因組。飛蝗基因組的“龐大”主要是重復序列在基因組中過多積累造成的。飛蝗基因組約60%的區域由重復序列組成,有2639個重復序列的家族,數量最多的兩類重復序列是DNA轉座子和line轉座子,它們在基因組中分別占到24%和17%,說明飛蝗基因組具有高復雜性特征。研究揭示了群居型和散居型飛蝗之間的轉變奧秘,一些調控神經可塑性的基因在表達量、DNA甲基化以及可變剪切方面都有明顯變化,可能在控制飛蝗形成大的群體過程中發揮重要功能。研究人員還發現與能量消耗和解毒有關的一些基因家族發生了顯著擴增,這可能與蝗蟲的長途飛行能力和植食性有關。他們還報道了數百個潛在的殺蟲劑靶基因,包括半胱氨酸環配體門控離子通道(Cys-loop ligand-gated ion channel)、G蛋白偶聯受體和一些致死基因。飛蝗基因組的測序、組裝、注釋,揭示了飛蝗的食性、遷飛、群聚等奧秘,為揭示蝗災暴發機制以及開發可持續性治理策略和新的控制方法提供了基因組資源,也為推動飛蝗成為研究人類疾病和行為的生物醫學模型奠定了重要基礎,并將推動人們更好地防控蝗蟲災害。(Nature Communications

    刺激農作物生長新機制

    英國研究人員在植物中發現了一種即使在惡劣環境下仍能刺激其生長的自然機制,由此可以潛在增加作物產量。在不利的自然條件下,例如缺水或土壤含鹽量高,為了節省能源,植物會自動減緩其生長速度,甚至停止生長,它們通過抑制植物生長的蛋白質達到這種效果。與這個過程反向的是,植物產生一種激素即赤霉素,可打破這種抑制生長的機制。研究人員通過對生長在歐洲和中亞的阿拉伯芥進行植物建模研究發現,植物具有另外一種在環境壓力下可調控其自然生長的能力,即植物能產生一種稱為SUMO的蛋白質改性劑,與抑制生長的蛋白相互作用。他們認為,可通過植物育種和生物技術等方法修改改性蛋白和阻遏蛋白之間的相互作用,移除讓植物停止生長的機制,從而帶來更高的產量,即使植物在遇到壓力時也是如此。且這種機制也存在于大麥、玉米、水稻和小麥等作物之中。這一發現可能是一種重要的輔助作物產量的手段。所發現的這種分子機制,即,在不斷變化的環境條件下,可以穩定限制植物增長的特定蛋白水平,獨立于赤霉素激素發揮作用,意味著即便在一定壓力下,可以利用這種新方法促進植物生長。新研究對于農民無疑是個福音,特別是面臨不利的條件時,利用這種機制可以促進農作物保持較大產量,實現可持續集約化生產,帶來更大收益。 (Developmental Cell)

    決定植物莖組織形式的第二種激素

    器官在植物莖周圍的規則排列被稱為“葉序”(phyllotaxis)。植物激素“茁長素”的積累觸發器官開始形成,而器官周圍“茁長素”耗盡會產生“抑制域”,后者被認為足以維持這些模式。在這項研究中,Teva Vernoux及同事發現,該過程還可能涉及第二種基于激素的“抑制域”。他們發現,“苗端”內細胞分裂素抑制因子AHP6在細胞間的運動會在“茁長素”的下游產生一些“域”,這些“域”會在分裂組織中產生細胞分裂素信號作用的空間模式,從而使得“葉序”具有穩定性。(Nature

    香蕉植株對線蟲害蟲采取化學防御

    一項研究發現,為了應對減少全世界香蕉產量的香蕉穿孔線蟲(Radopholus similis)的攻擊,香蕉栽培品種會產生一種束縛并殺死這種線蟲的化合物,這一發現可能幫助開發控制害蟲的藥物并且在香蕉生產中停止使用有毒的殺線蟲劑。研究人員研究了香蕉穿孔線蟲與容易感染線蟲的香蕉栽培品種Grande Naine (GN)以及抗線蟲的香蕉栽培品種Yangambi km5 (Ykm5)的相互作用。通過比較GN和Ykm5根部的香蕉穿孔線蟲損傷并分析被感染的根材料的化學成分,研究發現,與GN根部的損傷相比,Ykm5根部的損傷更小,而且在體外實驗中能束縛并殺死香蕉穿孔線蟲的化合物的濃度更高。而且這種抗線蟲化合物僅僅出現在線蟲感染的損傷部位,而沒有出現在健康的植物組織中。這些發現提示在線蟲感染的組織中的高濃度的抗線蟲化合物可能是Ykm5植株抗香蕉穿孔線蟲的基礎。(PNAS

    藍色矮牽?;?br />
    藍色花瓣在花的世界里很不常見?,F在,科學家發現了一些矮牽?;〞_出藍色花瓣的原因,這些花與那些人們熟知的經典紅色和紫色牽?;ú煌?。研究人員發現,藍色矮牽?;òl生了基因突變,使這種植物細胞中的兩個“泵”失靈。正常情況下,這些泵能夠確?;ò昙毎麅鹊拇蟾魧颖3峙c一杯咖啡相當的酸度。離開這些泵,花瓣隔室的酸性降低,花瓣化學成分的變化會改變光在花瓣上的反射路徑,這就賦予花朵呈現迷人的藍色。這一新研究可能引導出設計玫瑰和蘭花等其他植物品種的新方法,使它們生出稀有的藍色花瓣。(Cell Reports

    植物中RNA編輯的新機制

    RNA編輯被認為是生物體一種新的基因加工與修飾現象,是指DNA轉錄成RNA后除RNA剪切外的其他加工過程,RNA編輯廣泛地存在于動物和陸生植物各種生物有機體中,發揮重要的生物功能。來自中國科學院植物研究所的研究人員研究揭示,四吡咯生物合成酶PPO1對于質體RNA編輯起至關重要的作用。研究人員利用擬南芥證實,在四吡咯生物合成信號中負責催化原卟啉原IX成為原卟啉Ⅸ的酶——PPO1具有一種意外的功能:參與編輯了一些質體RNA轉錄物的多個位點,其中大多數的質體RNA轉錄物負責編碼的是NDH復合物的亞基。研究人員確定了多個RNA編輯因子MORFs,包括MORF2、MORF8和MORF9與PPO1發生了互作。他們發現在PPO1 的N端22-aa區域內存在有兩個保守的模體,是它與MORFs互作,發揮RNA編輯功能,由此影響NDH復合物活性的必要條件。缺失PPO1四吡咯生物合成活性關鍵結構域的轉基因植物顯示正常的RNA編輯。此外,他們還發現編輯ndhB和ndhD位點需要MORF2和MORF9與三種PPR蛋白或相關蛋白互作。這些研究結果證實,四吡咯生物合成酶PPO1作為一種調控因子通過物理互作促進了MORF蛋白的穩定,在質體RNA編輯中起著極其重要的作用。(PNAS)

    RNA甲基化表觀轉錄組學研究獲進展

    6-甲基腺嘌呤是高等生物中含量最為豐富的一種RNA甲基化形式,平均每一條mRNA含有3-5個,存在于保守序列RRACH(R=G ,A; H=A,C or U)中??茖W家利用生物化學、細胞、基因組學、生物信息學及模式生物等多層次技術手段,發現了M6A甲基轉移酶復合物另外兩個重要蛋白METTL14 (methyltransferase like 14)和WTAP, METTL14、WTAP和METTL3在體內形成功能復合物,催化m6A形成。METTL3和METTL14定位在mRNA加工相關亞細胞器nuclear speckle上,其定位依賴于WTAP;利用轉錄組、PAR-CLIP技術結合第二代測序技術,科研人員發現METTL3依賴于WTAP結合RNA,mRNA是該甲基轉移酶復合物的主要底物。與WTAP和METTL3結合的基因存在選擇性剪接模式的改變,WTAP和METTL3結合RNA MOTIFs在序列和距離與經典m6A甲基化RRACH高度一致,RNA代謝相關基因的表達和選擇性剪接都受到METTL3和WTAP的調節。METTL3和WTAP基因敲低的斑馬魚胚胎都表現為組織器官分化缺陷和細胞凋亡增加。以上研究確認了WTAP作為調控亞基,調節m6A甲基轉移酶催化亞基METTL3/METTL14的細胞內活性和定位。 該研究工作為進一步研究m6A的生物功能和RNA表觀遺傳提供了依據,為RNA甲基化修飾作為一種具有重要生物學調控功能的表觀轉錄組學新概念提供了重要證據,從而為后續從RNA甲基化這一新角度展開惡性腫瘤等人類疾病的發生發展研究提供了理論依據。 (Cell Research

    第一個軟骨魚的基因組序列

    象鯊(Callorhinchus milii)是澳大利亞南部和新西蘭溫帶水域的一種本地軟骨魚,生活在200米到500米深處,在春季遷移到淺水中進食。該魚作為第一種軟骨魚的基因組序列已被破解。與其他脊椎動物基因組所做比較顯示,它是所有已知脊椎動物(包括腔棘魚)中演化最慢的基因組?;蚪M分析表明,它有一個不同尋常的適應性免疫系統,缺少CD4受體和一些相關的細胞因子,這說明軟骨魚擁有一個原始的有頜類適應性免疫系統。其基因組中也沒有編碼分泌的鈣結合性磷蛋白的基因,這與軟骨魚沒有骨頭的事實是一致的。(Nature

    生物熒光普遍存在于動物界

    科學家日前首次找到證據,表明動物中存在普遍的生物熒光現象。研究人員發現超過180種魚類(至少50個門類)能夠吸收光線,并以一種不同的顏色將其再次發射出來。為了開展自己的調查,研究人員與攝影師及攝像師一道,在巴哈馬群島及所羅門群島附近的海域進行了采樣,這些海域是分類學最為富集的區域。研究人員同時還調查了來自馬達加斯加島、亞馬遜河以及美國五大湖地區的淡水物種,這些動物同樣來自于寵物商店和公共水族館。研究人員在兩種軟骨魚類(例如鯊魚和鰩魚)和硬骨魚類(例如鰻魚和扁頭魚)中發現了生物熒光現象。生物熒光現象與生物體發光現象不同,后者是指生物體通過一種化學反應產生光的過程。生物熒光還會出現在一些珊瑚、刺絲胞動物、節肢動物和鸚鵡中。而魚類中的生物熒光現象似乎是海洋生物中最普遍的。其中的許多魚類在眼中生有黃色濾光器,后者能夠識別作為一種物種間“隱藏信號”的生物熒光圖案。對于生物學家而言,這項研究同時確定了潛在的熒光蛋白寶庫。熒光蛋白——例如最早于上世紀60年代在水母中發現的GFP(綠色熒光蛋白)——曾改變了基因表達、包括艾滋病在內的疾病,以及腦解剖學的研究歷程。(PloS One

    分枝桿菌分辨不同巨噬細胞的方式

    在其最初感染點上,結核病病原體感染巨噬細胞,后者將該細菌輸送到更深的組織。該細菌在這些宿主細胞內是怎樣生存的卻不清楚。研究人員發現,結核分枝桿菌及其致病性近親海洋分枝桿菌進化出了一個避開殺菌性巨噬細胞、同時招募那些允許它們生存的巨噬細胞的策略。這種偏向性的招募是通過兩個步驟完成的:第一,該細菌通過生成“分枝桿菌結核菌醇雙結核蠟酸酯”脂質來掩蔽被殺菌性巨噬細胞識別出的PAMPs (pathogen-associated molecular patterns,與病原體相關的分子模式);第二,它們產生“酚糖脂”,后者通過宿主的一個“趨化因子受體-2”介導的通道促進“寬容”的巨噬細胞的招募。(Nature

    Wingless蛋白的長距離信號作用功能

    形態發生素是發育過程中在生長和模式形成中起重要作用的分泌蛋白。形態發生素的一個關鍵特征是,它能通過一個擴散梯度在距原點一定距離處發揮作用。本文作者直接評估了果蠅的Wingless (wg)蛋白的擴散的功能。他們發現,那些其固有wg 基因被編碼一種膜系留Wg蛋白的(該基因的)一個人工形式取代的果蠅是可以存活并具有生殖能力的。這些發現與認為Wingless起一個長距離信號作用的觀點是一致的,但卻對一個擴散梯度的必要作用提出了質疑。(Nature

    獲得微小蛋白晶體結構的一種新方法

    X-射線晶體學研究人員一般會花很多時間優化結晶條件,來獲得產生高質量數據集所需的大的、非常有序的晶體。最近的研究表明,來自X-射線自由電子激光器的極短的、強烈的X-射線脈沖,可被用來在晶體的輻射損傷發生之前獲得關于納米到微米大小的蛋白晶體的數據。研究人員希望,這種方法(被稱為“序列飛秒晶體學”方法)將能產生不會形成宏觀的、非常有序的晶體的蛋白和蛋白復合物的結構。“序列飛秒晶體學”方法的一大局限性是,在沒有事先知道一種蛋白的相關已知結構的情況下,此前一直沒有可能確定其結構。在這篇論文中,作者介紹了“序列飛秒晶體學”方法何以能夠與X-射線自由電子激光相結合,被用來通過實驗解決“相位問題”,在沒有事先知道一種蛋白是什么樣的情況下生成它的高分辨率結構。(Nature

    一種新型耐熱普魯蘭酶

    普魯蘭酶是一種重要的工業用酶,可專一水解直鏈淀粉中的α-1,6-糖苷鍵,大量應用于淀粉糖化生產過程中,在高直鏈淀粉、高葡萄糖漿、高麥芽糖漿和干啤酒等生產中也具有廣泛的應用。我國科學家從云南騰沖地區輪馬熱泉的淤泥中分離獲得了一株耐熱普魯蘭酶產生菌,屬I型普魯蘭酶。16S rDNA序列系統進化樹分析確定該菌為Anoxybacillus屬種,并從中克隆獲得耐熱普魯蘭酶的基因(Accession No. HQ844266)。該基因在大腸桿菌中表達,最適溫度為60℃,最適pH范圍5.6-6.4,具有良好的熱穩定性,在60℃下處理48小時,仍可保持50%以上的活力,是目前文獻報道中比活力最高的耐熱普魯蘭酶。晶體X-ray衍射分析該酶晶體結構,結果顯示該酶具有淀粉酶13家族中典型的催化中心活性結構域,并首次在同類酶中發現N端具有一個獨立的底物結合域,該結構域的缺失導致比活力和底物結合力的降低。在序列及晶體結構分析的基礎上,通過對該酶進行理性設計改造,得到了一系列穩定性更好的突變體,其中突變體(T470A/Y175C/Delete(580-584))的T50值比野生型提高了4℃,在65℃下的t1/2是野生型的4倍,能更好地滿足工業的應用。同時,研究組將該普魯蘭酶編碼基因克隆到pBE980載體,在枯草芽孢桿菌中也獲得了異源高效表達,通過培養基優化,在優化培養基中搖瓶培養,胞外酶活可達350 U/mL。以上研究結果為普魯蘭酶制劑的國產化生產和應用奠定了良好的基礎。(生物工程學報

    慢性乙肝治療性疫苗研究獲突破

    中科院上海巴斯德研究所藍柯課題組在慢性乙肝治療性疫苗研究中取得新突破。在乙肝慢性感染過程中,針對病毒特異的效應細胞通常處于耐受或耗竭狀態,主動免疫能夠暫時性激活效應T細胞,但特異性免疫和免疫記憶反應很快恢復到病毒持續性感染形成的免疫耐受狀態。因此,研究人員提出一種基于外源性抗原T細胞應答的免疫治療概念,設計構建了一種重組乙肝病毒(rHBV)。rHBV激活的外源性T細胞應答將最終控制野生病毒的持續性感染。研究人員利用重組腺病毒載體攜帶rHBV,證實能夠有效轉導并穩定產生野生乙肝病毒的肝細胞系,被攜帶的rHBV相對于野生病毒具有顯著的復制優勢;同時,應用原代培養樹鼩肝細胞證實,rHBV子代病毒具有感染性。研究結果極大增加了rHBV重組腺病毒載體的抗病毒效應。此外,研究人員還建立了基于腺相關病毒載體的乙肝慢性感染小鼠模型,并應用rHBV重組腺病毒的主動免疫治療清除小鼠模型中乙肝慢性感染,實現乙肝病毒抗原的血清轉換。這項研究體現了打破免疫耐受、清除慢性乙肝感染的有效治療策略。(Journal of Virology)

    人體面對病毒和細菌入侵時免疫系統反應機制的關鍵差異

    一種名為STAT1的蛋白質,可以結合DNA,而且在調節機體基因上扮演著重要角色。STAT1可以對干擾素信號產生反應,此前研究認為,所有干擾素都是使用單獨的STAT1包含的結構單元而不是STAT1鏈來調節基因的活性,然而來自諾丁漢大學的研究人員利用小鼠表達STAT1的突變形式使其不能產生結構單元,結果發現某些干擾素的功能被破壞了,而有些卻未受到任何影響。當STAT1鏈的組裝被抑制后,保護機體抵御病毒(比如水皰性口炎病毒)的I型干擾素并不會受到影響,而II型干擾素(保護機體抵御細菌感染的干擾素)的功能卻會完全喪失。這項研究揭示了I型和II型干擾素作用的分子機制以及其差異,這對于后期開發合理的藥物來治療不同病原體感染的疾病非常關鍵。比如I型干擾素,其涉及抗病毒效應,可以阻斷病毒增殖和復制,可以抑制全身病毒的擴散,這一類干擾素在臨床上用于治療肝炎病毒及許多癌癥等疾??;而II型干擾素則用于治療多發性硬化癥以及黑色素瘤等疾病。該研究中的發現為將來開發更為有效的疾病療法提供了一定思路。(Nature Immunology

    研究發現靈芝和九香蟲可治療慢性腎臟病

    慢性腎臟病在國內外的發病率已高達10%以上。該病較為隱匿,缺乏治療藥物,易進一步導致腎衰,進而使患者依賴于血液透析和腎臟移植。由于慢性腎臟病發病機制復雜,因此科研人員認為從中草藥中尋找新的防治藥物是可能的。赤芝是中國藥典收載的靈芝的一種,自古被稱為仙草,中醫認為其作用重在安神,而現代研究認為靈芝對多種疾病均具有防治作用,被譽為可包治百病的萬能藥。中科院昆明植物研究所的科研人員從赤芝中發現了一個具有“旋轉門”形狀的雜萜分子,可顯著激活核轉錄因子Nrf2,顯著抑制TGF-beta1誘導的Smad3磷酸化,并對下游的活性氧、促細胞炎癥因子和膠原均具有顯著的抑制效應,提示該化合物對治療慢性腎病如腎纖維化具有良好前景。目前,該研究成果申請了中國發明專利。同時,他們從九香蟲中發現了結構新穎的多巴胺三聚體,該化合物在腎小管上皮細胞上能顯著抑制TGF-beta1誘導的Smad3基因磷酸化,并在腎系膜細胞上能顯著抑制高糖誘導的促細胞炎癥因子和膠原分泌,提示該化合物在干預慢性腎病如腎纖維化方面具有價值。(Organic Letters)

    來源:基因農業網

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