生物技术前沿一周纵览（2014年1月10
维生素C提高体细胞转化为iPSC效率的机制
中科院广州生物医药与健康研究所的裴端卿课题组发现并破解了维生素C促进体细胞“变身”为诱导多能干细胞(iPSC)的分子障碍。干细胞具有在体外大量增殖和分化为多种细胞的潜能，可为再生医学的替代疗法提供充足的细胞来源。iPS细胞具有和胚胎干细胞类似的功能，却绕开了胚胎干细胞研究一直面临的伦理和法律等诸多障碍，因此在医疗领域的应用前景非常广阔。然而病毒载体及原癌基因的应用使iPS的安全性受到质疑，而且iPS的诱导效率也有待进一步提高。因此科学家们一直致力于寻找新的方法来减少转录因子的数量、避免转录因子的整合并提高的重编程效率。2009年，裴端卿课题组发现维生素C可以大大提高体细胞转化为iPSC的效率，从原来的万分之一提高到10%。为了探索这一现象背后的分子机理，两年多来，该团队进行了大量的基础研究。借助于系统的芯片技术、细胞生物学、分子生物学与表观遗传学等生物技术与手段，他们发现了制约体细胞“变身”的分子障碍，组蛋白H3K36me2/3。研究人员证实维生素C可通过Jhdm1a/1b诱导H3K36me2/3脱甲基化促进体细胞重编程。维生素C和Jhdm1b协同作用可促进细胞增殖，抑制细胞衰老。研究发现未经处理的成纤维细胞在体外传代到第6代时已老化至几乎不能再变身为多能干细胞；但转导Jhdm1b并在培养基中添加维生素C后，成纤维细胞在体外传代至第6代甚至第12代时还没有表现出衰老的表型，能保持与原代细胞一样的特性，维持重编程效率。该研究成果为阐明体细胞重编程的分子机制提供了重要的研究数据，是人们试图从分子水平上理解细胞重编程机理的一个里程碑式的发现，对于细胞和再生医学研究具有广泛和深远的意义。（Cell Stem Cell）
新方法可批量制备用于表观遗传学研究的重组抗体
科学家找到一种用于研究基因组调控的高质量重组抗体的制备方法。该方法可用于解决“抗体瓶颈”问题，即，目前用于检测基因表达调控蛋白的抗体都不可再生且无法特异识别目标。能够调控基因表达的不仅仅是组成DNA的四种碱基，与DNA有关的蛋白特别是组蛋白也参与调控。这些组蛋白的化学修饰，如，在某种特定氨基酸中引入甲基等，可影响该DNA中编码的基因能否表达。研究人员依赖于抗体来识别这些组蛋白受到的特定修饰以了解其对基因组调控的影响。但目前的挑战在于，这些抗体大多经过不同批次从动物体内产生获得，而每批次之间存在着较大的质量变，一旦某批次质量好的抗体用完，下一批次的质量不确定能够达到之前的标准。Shohei Koide等人放弃通过动物进行抗体生产，转而利用遗传手段在细菌体内制造具有高识别度的重组抗体以用于组蛋白的特定修饰。通过与市场上用动物制成的抗体相比较，这种新抗体的表现更佳，质量完全不受批次时间影响。这种抗体制备方法还能开发出经过一种以上化学修饰的抗体，可帮助破解如相邻甲基基团或其他表观遗传修饰的组合是如何影响基因表达等相关问题。（Nature Methods）
疟原虫青蒿素抗药性的分子标记
青蒿素取自传统中药青蒿（Artemisia annua），青蒿素药物与其他疟疾药物联合使用，通常能够在两天内，将疟原虫（Plasmodium falciparum）清除出人体血液。但上个世纪，部分区域逐渐出现了完全不受青蒿素影响的疟原虫抗性株。青蒿素抗药性在所分离出的东南亚疟疾病原体“镰刀形疟原虫”中的传播，可能会葬送为在全世界根除这种疾病所作努力。监测抗药性这一重要工作一直受阻于缺少一个分子标记。法国巴斯德研究所的研究人员在新研究中识别出“镰刀形疟原虫”青蒿素抗药性的一个主要决定因子。他们发现，该寄生虫的PF3D7_1343700 kelch propeller domain (K-13 propeller)中发生的等位基因突变频率增加与最近的抗药性传播有关。与在2001年和2012年间收集的样本所作比较显示，与抗药性的传播相一致的是，该标记的频率也增加了。K13蛋白在疟原虫中的功能还未知，青蒿素的作用方式以及该突变是如何造成药物抗性的还有待研究。但这些发现除了提出一个有用的标记外，还有可能加深我们对抗药性怎样形成的认识，同时为在寻找新型抗疟疾药物中怎样绕过抗药性提供思路。（Nature）
促进肠道固有菌群的互利抗菌机制
人体的上皮细胞通过各种抗菌蛋白的保护，能够与复杂的细菌群落密切共存。C-型外源凝集素RegIII蛋白家族是由与外部环境中的细菌直接接触的器官分泌的杀菌性蛋白，限制细菌和肠上皮细胞间的直接接触，从而促进肠道对菌群的耐受性。凝集素RegIII蛋白家族通过结合肽carbohydrate1，3识别目标细菌，而它们杀死细菌的机制尚不清楚。这项研究阐明了RegIII蛋白家族的杀菌基础。RegIIIα（也称为HIP / PAP ）是这一蛋白家族的一员，可结合细胞膜磷脂，并通过形成六聚体低聚物孔隙使膜透化而杀死细菌。脂多糖抑制RegIIIα孔隙形成活动，因此RegIIIα只能够杀死革兰氏阳性菌，对革兰氏阴性菌不起作用。结果显示C型凝集素是粘膜免疫系统中的介质，该项研究能够帮助深入了解促进固有菌群的互利抗菌机制。（Nature）
评估荧光蛋白的光激活效率
ICFO的科学家们首次在单分子水平上，确定了多个荧光蛋白的光激活效率，这一参数对于单分子计数非常重要。光控的荧光探针，是对局部进行超高分辨率显微分析的核心。其中，荧光蛋白可以通过基因编码，实现与目的蛋白的1:1标记。所以，荧光蛋白探针特别适合于单分子计数。有时，蛋白必须以“寡聚体”形式行使功能，而某些蛋白的“寡聚化”会引发疾病。因此，在纳米尺度上分析蛋白的组织形式，是理解蛋白功能的基础，有助于展现正常细胞和患病细胞之间的差异。许多研究者致力于对蛋白进行分子定量，监控单体、二聚体和多聚体蛋白之间的平衡。Melike Lakadamyali博士领导研究团队用爪蟾卵母细胞表达的人类甘氨酸受体作为纳米模板，对多种荧光蛋白进行分析，确定了被光激活的蛋白比率。“分子计数”的实现，依赖于光激活的荧光蛋白，以及超高分辨率的显微镜。如果一部分探针光激活失败，就无法出现在图像上，导致计数时遗漏部分数据。研究人员在光激活效率和一些其他因素（如荧光闪烁）的基础上，确定了最适合进行分子计数的荧光蛋白。将光激活效率纳入考虑，对于正确解读定量信息非常重要。目前人们只能用不完美的荧光蛋白进行研究，同时在定量蛋白时注意这种限制。该研究开发了鉴定光激活效率的可靠方法，日后在设计荧光蛋白时，可以通过这种方法优化参数，生成更适合超高分辨率分子计数的探针。（Nature Methods）
叶酸缺乏导致小鼠精子DNA变化
终生采用一种缺乏叶酸的饮食结构的雄性小鼠，其精子DNA会发生表观遗传改变，即DNA被化学基团改变。在一些情况下，这些小鼠会生出有颅面缺陷和脊椎畸形等发育异常的后代。这项工作让我们对造成发育缺陷的可能的父方途径有了新认识。表观遗传DNA改变（如DNA甲基化）会改变基因活性，但不影响DNA的序列。以前的研究工作表明，饮食中的叶酸会影响细胞DNA甲基化水平和基因表达，另外父方的饮食还会改变后代的代谢。Sarah Kimmins和她的团队给雄性小鼠终生喂食缺乏叶酸的食物，发现这导致雄性小鼠精子DNA的甲基化发生改变和生育能力降低。而且，这些雄性小鼠的雄性和雌性后代产生发育异常的频率都要比采用正常饮食的雄性小鼠的后代高。但目前的研究对表观遗传传递的机制还不清楚，因而造成发育缺陷的分子水平的原因尚待研究。（Nature Communications）
揭秘细菌的耐受基因
细菌的耐药性现象在上世纪四十年代就被人们发现，一群细菌中总有那么一两个，能够在抗生素的攻击下生存下来。细菌耐药性依赖于细胞的休眠，这一点与抗生素抗性并不相同，抗生素抗性是指细胞发生遗传学改变而对特定药物不敏感。科学家们发现，细菌的一个基因能够关闭自身的蛋白合成进入休眠状态，以便逃过抗生素的攻击。细菌在休眠时会关闭正常的细胞功能，使抗生素丧失攻击目标，因为抗生素一般攻击活跃的过程（例如翻译或者转录）。能够耐药的细菌一般拥有一对作用相反的蛋白——毒素和抗毒素。毒素会强迫细胞进入休眠状态，而抗毒素能逆转这种作用令细胞苏醒。HipA是首个在E. coli里鉴定到的毒素基因，它能够中止细菌的复制、转录和翻译过程。Zenkin及其同事让细菌过表达多种基因，以寻找那些能够对抗HipA的基因。他们发现，即使在HipA存在的情况下，过表达gltx基因的细菌仍能很好地生长。研究显示，该基因的产物是谷氨酰tRNA合成酶（GltX），这种酶对于蛋白合成非常重要。在蛋白的翻译过程中，GltX负责将谷氨酸添加到tRNA。HipA过表达会导致GltX磷酸化，阻止它给tRNA添加氨基酸，使蛋白合成慢慢停止。GltX不仅和EF-Tu一样能中止翻译过程，还能够阻断转录和复制。当GltX被HipA磷酸化时，空载的tRNA阻塞了核糖体，而核糖体负责在蛋白合成过程中转运氨基酸。这种tRNA造成的交通堵塞，会刺激细胞生成一种信号素(p)ppGpp。这一信号可以触发一系列级联事件，关闭细胞中的所有基础过程（例如复制、转录），使细胞进入休眠状态。为了验证这一点，研究人员去除了参与信号素合成的蛋白，发现这一措施的确能显著降低细菌的耐受性。这一研究揭示了细菌的耐受性机制，但并没有提出抗生素的有效靶标。问题在于E. coli有十二种毒素，甚至可能更多，要解决细菌的耐受性，需要让它们全部失活，这对打破耐药性提出了挑战。（Molecular Cell）
发育过程中基因表达的变化
影响基因表达水平的多态性在很多物种中已通过“表达量化性状位点” (eQTL) 分析方法被发现。这项研究集中在一个12小时的时段中对线虫发育进行研究，让我们第一次全面地看到了这些多态性在发育过程中是怎样影响基因表达的动态的。顺式和反式eQTL都能增加和降低基因表达，具体情况取决于所分析的时间点，同时反式eQTL在一个给定的发育时段还能起表达的修饰因子的作用。这项研究中所建立的方法有望用来研究其他动态过程，如生理和疾病发展。（Nature）
研究发现导致奶牛繁殖力下降的重要突变
科学家们发现，一段660Kb的基因序列缺失，对奶牛产奶量有促进作用，但是却导致奶牛胚胎的死亡。该段包含4个基因的序列缺失，是一种隐性的胚胎致死突变。这种致死突变，是驯养牛繁殖力衰退的一个不可忽视的原因。这项发现可以帮助解释奶牛育种中的一个两难境地：繁殖力和产奶量之间的负相关性。基于一直以来的有针对性的育种项目和现代育种方法，Scandinavian奶牛的产奶朝着增加产奶量的单一目标发展。在北欧国家，尽管重心放在育种目标上，但是在繁殖力上却几乎没有获得改进。现在看来，产奶量和繁殖力之间的这种不利关系，部分受到一段简单基因序列缺失的影响。丹麦奥胡斯大学、比利时列日大学、芬兰MTT农产品研究的科学家们，与北欧牛遗传评定（Nordic Cattle Genetic Evaluation）合作，发现了这种突变的存在及其影响。普遍认为的繁殖力的下降主要是由于高产奶牛在其哺乳高峰时的能量负平衡引起有了新的遗传学解释。这种隐性的胚胎致死突变意味着小牛还是胚胎的时候会死去和流产，或者被报告为授精失败。通过正在进行的基因组选择程序，定期识别携带这种基因缺失的公牛，通过避免携带突变的公牛和母牛之间的交配，这种方法使得在北欧Red奶牛品种中获得繁殖力提高的巨大突破。基因序列缺失引起的胚胎死亡率，已经变得比较普遍，其原因是这种缺失对产奶量具有这样强烈的积极作用。通过选择高的产奶量，育种者也不经意地选择胚胎死亡率，即出现育种上的搭便车的情况。该项研究表明，胚胎致死突变，是驯养牛繁殖力衰退的一个不可忽视的原因，其对产奶量的相关积极影响，可能是遗传负相关性的部分原因。在家畜中，这至少是“平衡选择在高频率上保持隐性有害等位基因”的第七个例子。（PLOS Genetics）
