生物技术前沿一周纵览（2017年7月7日）

生物技术前沿一周纵览（2017年7月7日）

WTG1是控制水稻的粒厚和粒宽的关键基因

水稻三最重要的粮食作物之一，而水稻籽的大小及形状与水稻的产量及品质密切相关。近研究人员发现一个控制水稻的粒厚和粒宽的关键基因WTG1 (WIDE AND THICK GRAIN 1)。wtg1-1 突变体的粒宽、粒厚、千粒重以及主穗的穗粒数均增加，粒长变短，而过表达则会使水稻籽粒的粒宽及粒厚降低，粒长增加。WTG1主要是通过影响颖壳细胞的扩展从而控制水稻籽粒的大小和形状。WTG1编码一个与人类中的OTUB1同源的Otubain-like蛋白酶，进一步的生化试验表明WTG1具有去泛素化酶的功能。该研究对进一步利用WTG1改良水稻的籽粒大小、形状和产量具有十分重要的意义。（The Plant Journal）

组蛋白修饰分工调控基因表达水平和基因表达噪音

基因表达过程依赖于转录因子、染色质调控因子和染色质等生物大分子在布朗运动过程中的随机碰撞，因此，即使是基因型和分化类型完全相同的细胞在相同环境下也存在基因表达的差异，被称为基因表达噪音。研究人员计算分析了人类胚胎的单细胞转录组数据，发现多种组蛋白修饰分别调控了基因表达水平和基因表达噪音。富集在启动子附近的组蛋白修饰，如H3K4甲基化，主要调节基因的平均表达水平；而富集在基因编码区的组蛋白修饰，如H3K79甲基化，可以降低基因表达噪音，即提高同类细胞间基因表达的一致性。敲除酵母细胞中H3K79甲基化酶，降低了H3K79甲基化修饰水平，同时观察到靶基因在细胞间的表达差异升高。与以上发现相一致，对基因表达水平敏感的基因（如信号通路中的基因，必须基因，编码蛋白质复合物的基因）主要受到基因编码区组蛋白的修饰；而环境响应相关的基因主要富集了启动子区域的组蛋白修饰。该研究揭示了组蛋白修饰在调控基因表达水平和基因表达噪音上的“分工”，为理解转录组进化提供了线索。 (PLOS Computational Biology)

热带森林是重要植被和土壤碳库，其土壤碳库与大气碳库相当。研究人员利用站区具有50多年历史的热带森林恢复序列样地（天然林、次生林、桉树人工林以及未恢复光裸地），结合站区历史的土壤监测数据，评估了不同恢复序列样地中植被碳库和土壤碳库的变化。研究结果发现次生林的植被碳库经历了50多年的恢复已经与天然林相差不大，而土壤碳库还有很大差异，仅为天然林的60%左右（0-60 cm）。科研人员进一步利用土壤碳天然同位素丰度的差异以及土壤碳分组方法，更加详细地了解了恢复过程中新老碳组分在土壤中的分布特征及其随恢复过程的变化。结果表明次生林表层土壤碳库总量尽管和天然林类似，但其难分解的老碳组分远小于天然林，而且在深层土壤中这一差异更大。此外，该项研究还表明人工林由于经常的人为干扰（砍伐收获），极大地降低了其土壤固碳能力，与次生林相比，仅为后者的碳库的一半左右。这一结果表明IPCC用来估计大尺度的热带次生林和人工林的土壤固碳量的默认值很大程度上高估了次生林和人工林的土壤碳库储量。（Functional Ecology）

农作物镉污染研究取得新进展

农作物镉（Cd）污染是当前国内外关注的主要问题之一，定量化各环境因子对农作物Cd累积的影响程度对区域Cd污染风险调控至关重要。研究人员从“土壤-土壤溶液-作物吸收”概念出发，通过对湖南攸县蔬菜和水稻Cd富集水平的长期观测，揭示了Cd固液分配系数（Kd）和农作物Cd富集因子（PUF）变化特征及其主要影响因子，并结合大田实验和模型模拟进行验证和风险评估。研究发现改善土壤酸化和恢复土壤微量元素平衡可显著降低区域农作物Cd超标概率。（Journal of Agricultural and Food Chemistry）

基因元件设计原则方面取得进展

研究人员开发了一套普适于原核生物转录调控元件的绝缘化设计原则。该原则通过绝缘化处理消除了基因转录过程的核心元件——启动子（Promoter）和操作子（Operator）之间的功能干涉效应，显著提高了它们的模块化属性和组装过程可预测性，从而首次在生物基因层面实现了计算机辅助设计和虚拟优化的全过程。该研究成果极大地简化了人工基因调控网路的设计过程，为人工生命系统的理性设计奠定了重要技术基础。研究者设计了复杂的非一致性前馈网络（Incoherent Feed Forward Loop circuit, IFFL），并利用计算机穷举了所有参数化的启动子和操作子元件，挑选性能最优的IFFL网络进行实验测试，结果显示最终获得的基因网络在性能上超出类似网络10倍，同时所有的元件组合结果都可以被理论模型所预测。这些结果充分体现了绝缘化设计原则的实用性与普适性。（Nature Communications）

建立新的谷氨酸棒杆菌基因组规模代谢网络模型

谷氨酸棒状杆菌（Corynebacterium glutamicum），是重要的工业微生物之一，被广泛应用于氨基酸、有机酸、维生素和生物能源等的工业化生产。研究人员建立了一个新的谷氨酸棒杆菌的基因组规模代谢网络模型iCW773，其中包含了773个基因，950个代谢产物和1207个生化反应。通过精炼集成反应，平衡反应式中代谢物的电荷和质量，利用吉布斯自由能ΔrG\&\#39\;限定反应方向，该网络模型能够准确模拟预测谷氨酸棒杆菌利用不同碳源生长的比生长速率和在以葡萄糖为唯一碳源生长的胞内代谢通量分布；利用OptForcemust算法，分析比较了野生型和高产l-赖氨酸、l-缬氨酸和l-丝氨酸工程菌之间各个网络代谢节点的代谢通量区间的重合度，所获得的代谢工程改造靶点及其改造方式与实验结果完全一致；通过添加异源合成途径，建立了谷氨酸棒杆菌合成1,2-丙二醇和异丁醇的代谢网络，发现了有利于1,2-丙二醇和异丁醇合成的新的代谢改造靶点，证明了iCW773用于目标产物的代谢网络设计的实用性；最后通过干湿法结合，从头设计并构建了一株l-脯氨酸工程菌，通过发酵罐连续补料发酵，工程菌的l-脯氨酸产量达到66.43 g/L，糖酸转化率0.26 g/g，生产强度1.11 g/L/h，是目前已报道的在以葡萄糖为唯一碳源的基本培养基中发酵生产l-脯氨酸的最高转化率和生产强度。该研究所构建的基因组规模代谢网络模型能够提供一个高效的研究预测平台，有利于在系统生物学水平加深对谷氨酸棒杆菌的代谢网络的理解，为利用该菌作为细胞工厂合成具有不同代谢途径化合物提供了一种高效的技术工具，并为一些生物基化学品的人工合成网络的设计改造奠定了研究基础。（Biotechnology for Biofuels）

大麻素受体的结构生物学研究获重要成果

G蛋白偶联受体（G protein-coupled receptor, GPCR）GPCR是人体内最大的细胞膜表面受体家族，在细胞信号转导过程中发挥核心作用。研究人员基于THC，设计和筛选了一系列特异性高、结合力强的激动剂小分子。经过多轮蛋白纯化及结晶条件筛选和优化后，成功解析了CB1与两种新型激动剂小分子AM11542和AM841的三维精细结构。该结构不仅揭示了激动剂小分子与CB1的相互作用模式，更重要的是，与之前解析的CB1与拮抗剂小分子复合物结构相比发生了很大的构象变化。其中结合口袋体积的变化53%（激动剂的结合口袋体积：383埃3，拮抗剂的结合口袋体积：821埃3，1埃= 10-10米）以及受体的整体结构变化包括蛋白的N端以及七次跨膜螺旋的构象的显著变化（RMSD （均方根偏差）为3.5埃）是在以往解析的GPCR结构中变化最大的。这些结构特征也从分子水平解释了为什么大麻素受体CB1可以与多种不同类型的配体相互作用，参与和调控人体中多种非常重要的生理活动，同时也为今后针对GPCR的药物设计提供了新的思路。（Nature）