生物技术前沿一周纵览（2017年10月20日）

遗传互作网络对染色体上基因顺序的决定作用

真核生物基因在染色体上呈线性排列。研究人员根据进化理论模型推测，遗传互作网络是影响基因排列顺序的重要因素。研究者对基因顺序的形成进行了进化模拟计算，并对酵母遗传互作网络进行了系统分析，发现遗传互作网络是决定基因在染色体上排列顺序的重要因素。进一步地，研究者成功使用遗传互作网络预测了酿酒酵母的基因排列顺序。该研究揭示了遗传互作网络对于基因顺序进化的重要作用，同时也拓宽了人们对于基因组编码规律的认知。(Molecular Biology and Evolution)

核纤层蛋白在动物细胞中参与众多细胞核内重要的生物学过程，CROWDED NUCLEI (CRWN)家族蛋白作为拟南芥中核纤层类似蛋白，其功能却知之甚少。研究组发现，crwn1 crwn2双突变体对病原菌具有较强的抗性。CRWN 1基因在转录和转录后水平都受到了病原菌及水杨酸的调控。CRWN 1通过抗病途径的NAC类转录因子NTL9相互作用，加强NTL9对下游抗病基因PR1的转录抑制。进一步的遗传实验表明，crwn1 crwn2的抗病相关表型依赖于抗病通路中的关键蛋白NPR1。研究发现了由CRWN1、NTL9 及NPR1等蛋白组成的调控PR1基因表达的分子遗传网络。(Molecular Plant)

藜麦耐盐与高营养价值分子机制

藜麦（Chenopodium quinoa）是源自美洲安第斯山脉的一种假谷物，距今已有7000多年历史。研究人员通过对第二代和第三代高通量测序数据的混合拼装，获得了高质量的藜麦基因组序列，其总长度为1.34Gb，scaffold N50达到1.16 Mb。基因组在距今约430万年前经历过一次全基因组复制，基因组注释发现了54438个蛋白编码基因和192个微RNA（miRNA）基因；参与离子与养分运输、脱落酸动态平衡与信号转导等过程的基因拷贝数增加。藜麦编码的三个主要种子贮藏蛋白家族的蛋白序列中人类所需的必需氨基酸比例均显著增加，部分解释了藜麦种子高营养价值的原因。 (Nature)

高效无痕的基因组编辑是基础生物学与生物技术研究的核心技术，在生命科学和生物医药等领域发挥重要作用。研究人员利用限制性修饰系统，建立了一套简单、高效且应用范围广的基因组编辑新技术（R-M system-mediated genome editing，RMGE），并经过优化使其适用于大肠杆菌、枯草芽胞杆菌和酿酒酵母的基因组编辑。根据目的菌株的R-M系统和基因组甲基化模式筛选出能够有效地调节细胞生长与死亡的REase或MTase，并建立R-M系统介导的基因组编辑技术。利用该技术在大肠杆菌中实现了功能基因的缺失、替换和精确点突变，反筛效率为100%，明显高于传统的SacB系统。此外，利用该系统实现了枯草芽胞杆菌和酿酒酵母染色体基因的敲除或替换，反筛效率均达到100%，实现了RMGE技术在细菌和酵母中的应用。RMGE技术首次利用R-M系统实现了大肠杆菌、枯草芽胞杆菌和酿酒酵母等多种微生物的基因组编辑，在不同种属微生物中的适用性表明，该技术可广泛应用于其它微生物的遗传操作。同时，该技术具有不引入任何标记、应用范围途广、遗传稳定等优点，可作为有效的遗传操作工具用于系统生物学及合成生物学研究，为实现微生物在医药、农业、工业等多个领域中的应用提供技术平台。（ACS Synthetic Biology）

非经典泛素链的体外合成方面取得重要研究进展

泛素化是真核生物内重要的翻译后修饰，在蛋白质降解、细胞周期调控、机体免疫以及DNA损伤修复等多种生理过程中发挥关键调控作用。研究发展了一种基于“异泛素单元（IsoUb）”的方法，实现了不同长度的K11-K48等非经典分叉泛素链高效合成。晶体结构及体外酶学实验证明不同类型的去泛素化酶对化学合成的K11-K48分叉泛素链可进行特异性切割，表明化学合成的K11-K48分叉泛素链具备正常的生物学结构特征。该工作为进一步研究非经典泛素链的生化结构特性创造了条件，在深入开展非经典泛素链的生物学研究中迈出了重要的一步。（Angewandte Chemie International Edition）

科学家破译海参基因组

海参属于棘皮动物，体型与形态最为特殊的种类，且处于从无脊椎向脊椎动物分化的独特进化地位，是国内外重要的海产经济物种之一，具有营养与医用价值。研究人员利用Illumina和Pacbio测序平台和优化的组装策略，构建了海参全基因组的精细图谱，Contig N50 达到190 KB, Scaffold N50 达到486 KB，编码30350个基因。研究分析发现，调控动物关键进化过程中脊索形成的关键转录因子Brachyury基因的FGF基因在棘皮动物中显著收缩为1个，提示了棘皮动物在长期的进化过程中脊索、咽鳃裂消失的潜在原因。海参的近亲——海胆具有显著、发达的外骨骼，而海参外观柔软，骨骼退化为细小的桌形体，基因组解析发现它们都具有相对完整的骨骼发育通路，不同之处在于海胆的矿化基因为31个，海参缩减为7个，且海参矿化基因在发育过程中低表达，是其骨骼显著退化的根本原因。（PLoS Biology）

高保真CRISPR-Cas9基因组编辑方法研究获新进展

基因组编辑是生命科学新兴的颠覆性技术，特别是基于CRISPR-Cas9系统的基因组编辑工具近几年迅猛发展，在医疗、农业等领域得到广泛应用。通过蛋白质工程的方法，对Cas9蛋白进行定向改造，获得了三种特异性显著提高的Cas9蛋白变体：eSpCas9（1.0）、eSpCas9（1.1）和SpCas9-HF1。研究发现，这三种高保真的SpCas9核酸酶的基因组编辑活性会严格受到sgRNA向导序列（guide sequence）长度的影响。将向导序列设为与靶位点精确匹配的20个碱基，是确保三种高保真SpCas9核酸酶活性的重要前提。为此，研究人员将水稻tRNAGlu序列融合到U3启动子和sgRNA之间，利用细胞內源的RNase P和RNase Z将未成熟的sgRNA中的向导序列加工成为与靶序列精确匹配的20个碱基，通过这一策略能够将eSpCas9（1.0）、eSpCas9（1.1）和SpCas9-HF1的活性保持在与野生型SpCas9相当的水平，并且还保持其特异性。(Genome Biology)