生物技术前沿一周纵览（2017年9月15日）

生物技术前沿一周纵览（2017年9月15日）

科学家揭示植物干细胞调控新机制

干细胞维持与分化的调控对于动物抑或是对于植物的生长发育而言具有重要意义，一旦干细胞功能发生异常，植物和动物的生长和发育均会出现严重缺陷。研究表明，超氧根和过氧化氢作为新的信号调控植物干细胞的维持与分化。在植物茎顶端分生组织（SAM）中，超氧根主要在干细胞CZ富集，而过氧化氢主要在分化细胞PZ富集，这种分布模式依赖于一系列活性氧代谢基因在SAM中特异表达模式，研究发现绝大多数的超氧化物歧化酶特异在分化细胞PZ表达而过氧化物酶在干细胞CZ特异表达。CZ区超氧根通过正调控植物干细胞重要调控基因WUS的表达从而维持干细胞的稳定；而PZ区过氧化氢可以促进细胞分裂调控分化过程。此外，研究还发现超氧根和过氧化氢之间形成balance、相互拮抗，并通过调控WUS而决定干细胞的命运。该研究揭示这种新的干细胞调控的信号可能在植物和动物中是保守的，并为研究ROS-介导的干细胞命运的调控机制提供了理论基础。（EMBO Journal）

BR是一种重要的甾醇类植物激素，参与调控植物生长发育的各个方面，包括调控植物的株型、细胞的分裂、细胞的伸长、维管束的分化、光形态的建成以及响应各种生物和非生物胁迫。科研人员首次发现水稻转录因子OsWRKY53能够正向调控BR信号，OsWRKY53基因过表达转基因水稻（OsWRKY53-OE）呈现出叶倾角增大、种子增大、其叶倾角对外源的BR处理超敏感等一系列BR信号增强的表型；而敲除突变体（oswrky53）表现出叶倾角变小、种子变小、株高变矮、其叶倾角对外源的BR处理敏感性下降等一系列BR信号缺陷的表型。研究揭示了水稻转录因子OsWRKY53能够正向调控BR信号和水稻株型，这不仅丰富了BR信号转导通路，而且挖掘了OsWRKY53未被报道的生物功能，对不同激素之间信号识别、信号交流和信号转导提供新的研究思路和研究视角，具有重要的理论和应用价值。（Plant Physiology）

开发了用于研究RNA及多个结合蛋白相互作用的生物信息学方法

RNA结合蛋白（RBP）对于细胞维持如RNA剪接，RNA聚腺苷酸化，RNA转运，翻译和转录本降解等一系列基本的细胞学功能至关重要。基于一项研究工作的估计，人类存在超过1500种不同的RBP，这些RBP通过结合不同的RNA靶标序列（调控元件），进而行使其相应的生物学功能。许多RNA结合蛋白在结合其RNA靶标时存在相互作用或竞争的关系，因此，研究RNA结合蛋白的组合方式和鉴定相应的RNA调控原件，对研究各种后转录调控机制至关重要。研究通过整合RNA及其结合蛋白（RBP）相互作用的高通量测序数据（CLIP-seq），开发了一个基于非负矩阵分解（NMF）的生物信息学方法 -- RBPgroup。该方法不但能鉴定出具有高可信度的RNA调控元件，与此同时，也能够预测多个RNA结合蛋白（RBP）之间的潜在相互作用关系。该成果为研究多个蛋白在RNA上的协同调控提供了有力的新方法。（Genome Biology）

兰科植物起源于1.25亿年前，是被子植物中的第二大科，除了两极和极干旱的沙漠，可生存于世界各地。研究人员用PacBio，Illumina，以及10X Genomics的最新技术，全新解析了一种兰花的基因组序列。利用新的转录组序列，进行比较基因组学和系统发育分析，进一步了解兰花品种之间的亲缘关系，以及进化兰花特征。其中研究人员识别出了21,841种预测到的的蛋白编码基因，超过92％的这些基因出现在转录组序列中。由此他们分析了深圳拟兰与十多种其它植物物种的关联序列，基于上百个单拷贝基因家族的系统发育分析。而且研究人员也搜寻了在兰花进化过程中似乎出现激增或急降的基因家族，以及过去基因组重复或突变的其它线索。比如，研究发现指出，深圳拟兰谱系至少经历了两个全基因组重复：一个发生在兰花祖先与菠萝，芦笋等其它单子叶植物分支处；另一个发生在近期，兰科植物开始多样化后不久的兰花特异性全基因组重复。（Nature）

植物新转录因子家族PLATZ参与玉米胚乳发育与灌浆

floury3是一个经典玉米胚乳半显性突变体，千粒重比野生型下降近60%，但营养和生殖生长没有明显影响。研究团队克隆了Floury3基因，发现该基因编码一个PLATZ家族蛋白。fl3蛋白的PLATZ结构域的Asn/His氨基酸替换导致了显性突变。Fl3特异在胚乳组织中表达，并且约90%以上的转录本来自于母本，偏离在胚乳中正常的母本父本之比2:1。同时父本基因组中的Fl3基因启动子也被发现具有更高的甲基化水平。这些结果证明Fl3是一个新发现的玉米印迹基因，主要由母本表达，所以导致fl3的显性突变表现为半显性遗传效应。利用酵母双杂交筛选，该研究组发现FL3可以与RNA聚合酶III转录复合体中的RPC53和TFC1互作。RNA聚合酶III下游的5S rRNA和tRNA的转录本在突变体中也显著降低，说明突变fl3蛋白直接参与并负面影响了RNA聚合酶III的转录。对fl3胚乳进行转录组分析发现营养物质储藏相关基因的表达在突变体受到严重影响。（The Plant Cell）

科研人员揭示Cbln家族蛋白功能异同的分子机制

Cbln家族包含4个成员，它们具有很高的序列同源性和相似的结构组成，均在C端包含一个C1q结构域。研究人员解析了Cbln1和Cbln4的C1q结构域（Cbln1C1q 和Cbln4C1q）三聚体的晶体结构，分辨率分别为2.2Å和2.3Å。Cbln1C1q和Cbln4C1q总体结构非常相似，但在对应于Cbln1C1q与d-谷氨酸受体2（GluD2）的ATD结构域相互作用界面的区域上有显著不同。利用负染和冷冻电镜单颗粒技术，研究人员获得了分辨率为13Å的全长Cbln1六聚体的三维结构。该结构显示，Cbln1六聚体整体像两个连着的樱桃，Cbln1C1q三聚体占据密度图中的“樱桃”部分，而Cbln1的N端区域形成较平的相互作用界面，介导六聚体的形成。此外，为了解决此前文献中数据有相悖之处的问题，研究人员研发了基于细胞表面结合技术的半定量方法，以测定Cbln1和Cbln4对全长Nrxn1β的亲和力。研究人员发现，Cbln4与全长Nrxn1β的相互作用并不弱，并进一步获得了Cbln4与Nrxn1β的LNS结构域形成的复合物、以及分辨率为19Å的该复合物的三维冷冻电镜结构。结构分析提示，Nrxn1β可能通过其S4片段的β10与Cbln4的N端相结合。这些研究结果揭示了Cbln1和Cbln4之间功能异同的分子机制，为进一步研究Cbln1和Cbln4在神经细胞突触形成中的功能奠定了较好的结构基础。（Cell Reports）

科学家揭示转录中介体MED23亚基在色素合成和DNA修复的调控机制

毛发、皮肤、眼睛等的颜色大部分是由黑色素细胞中的黑色素来决定，黑色素的合成过程非常复杂，受多种信号通路的调控。科研人员发现在小鼠黑色素瘤细胞B16F10敲低转录中介体复合物Med23亚基后，细胞变白，黑色素含量显著减少，合成黑色素的黑色素小体减少。此外，在斑马鱼中敲低Med23后，斑马鱼的黑色素含量降低，色素合成重要基因表达下调。这些结果体内体外实验说明MED23调控色素合成过程。同时Med23缺失后，UV引起的DNA损伤减少，而NER因子的表达量以及它们结合到染色质的含量都大大增加，说明MED23调控了DNA损伤修复过程。进一步研究发现，MED23通过正调控转录因子Mitf (Microphthalmia transcription factor)的表达量来偶联色素合成和DNA损伤修复两个过程。通过ChIP-seq、CRISPR-Cas9和报告基因系统等方法发现，MED23通过调节Mitf远端增强子的活性来调节Mitf的基因表达。该项研究阐明了转录中介体物在色素合成和DNA损伤修复过程中的分子调控机制，为皮肤相关疾病干预提供了新思路。（Cell Reports）