生物技术前沿一周纵览（2014年1月17
测序飞蝗基因组有望推动飞蝗防控
蝗虫具有群集和长距离迁徙特性，蝗灾被视作农业上最具破坏性的自然灾害，曾造成巨大的经济损失。来自中科院动物研究所、华大基因研究院以及中科院北京生命科学研究院的科学家们已成功地解开了蝗虫（locust）的遗传密码，揭示出了“数百个”可以成为杀虫剂靶标的基因。这一蝗虫的遗传密码相当的大——达到6.5 Gb，是迄今为止最大的测序昆虫基因组。飞蝗基因组的“庞大”主要是重复序列在基因组中过多积累造成的。飞蝗基因组约60%的区域由重复序列组成，有2639个重复序列的家族，数量最多的两类重复序列是DNA转座子和line转座子,它们在基因组中分别占到24%和17%，说明飞蝗基因组具有高复杂性特征。研究揭示了群居型和散居型飞蝗之间的转变奥秘，一些调控神经可塑性的基因在表达量、DNA甲基化以及可变剪切方面都有明显变化，可能在控制飞蝗形成大的群体过程中发挥重要功能。研究人员还发现与能量消耗和解毒有关的一些基因家族发生了显著扩增，这可能与蝗虫的长途飞行能力和植食性有关。他们还报道了数百个潜在的杀虫剂靶基因，包括半胱氨酸环配体门控离子通道（Cys-loop ligand-gated ion channel）、G蛋白偶联受体和一些致死基因。飞蝗基因组的测序、组装、注释，揭示了飞蝗的食性、迁飞、群聚等奥秘，为揭示蝗灾暴发机制以及开发可持续性治理策略和新的控制方法提供了基因组资源，也为推动飞蝗成为研究人类疾病和行为的生物医学模型奠定了重要基础，并将推动人们更好地防控蝗虫灾害。（Nature Communications）
刺激农作物生长新机制
英国研究人员在植物中发现了一种即使在恶劣环境下仍能刺激其生长的自然机制，由此可以潜在增加作物产量。在不利的自然条件下，例如缺水或土壤含盐量高，为了节省能源，植物会自动减缓其生长速度，甚至停止生长，它们通过抑制植物生长的蛋白质达到这种效果。与这个过程反向的是，植物产生一种激素即赤霉素，可打破这种抑制生长的机制。研究人员通过对生长在欧洲和中亚的阿拉伯芥进行植物建模研究发现，植物具有另外一种在环境压力下可调控其自然生长的能力，即植物能产生一种称为SUMO的蛋白质改性剂，与抑制生长的蛋白相互作用。他们认为，可通过植物育种和生物技术等方法修改改性蛋白和阻遏蛋白之间的相互作用，移除让植物停止生长的机制，从而带来更高的产量，即使植物在遇到压力时也是如此。且这种机制也存在于大麦、玉米、水稻和小麦等作物之中。这一发现可能是一种重要的辅助作物产量的手段。所发现的这种分子机制，即，在不断变化的环境条件下，可以稳定限制植物增长的特定蛋白水平，独立于赤霉素激素发挥作用，意味着即便在一定压力下，可以利用这种新方法促进植物生长。新研究对于农民无疑是个福音，特别是面临不利的条件时，利用这种机制可以促进农作物保持较大产量，实现可持续集约化生产，带来更大收益。 (Developmental Cell)
决定植物茎组织形式的第二种激素
器官在植物茎周围的规则排列被称为“叶序”(phyllotaxis)。植物激素“茁长素”的积累触发器官开始形成，而器官周围“茁长素”耗尽会产生“抑制域”，后者被认为足以维持这些模式。在这项研究中，Teva Vernoux及同事发现，该过程还可能涉及第二种基于激素的“抑制域”。他们发现，“苗端”内细胞分裂素抑制因子AHP6在细胞间的运动会在“茁长素”的下游产生一些“域”，这些“域”会在分裂组织中产生细胞分裂素信号作用的空间模式，从而使得“叶序”具有稳定性。（Nature）
香蕉植株对线虫害虫采取化学防御
一项研究发现，为了应对减少全世界香蕉产量的香蕉穿孔线虫（Radopholus similis）的攻击，香蕉栽培品种会产生一种束缚并杀死这种线虫的化合物，这一发现可能帮助开发控制害虫的药物并且在香蕉生产中停止使用有毒的杀线虫剂。研究人员研究了香蕉穿孔线虫与容易感染线虫的香蕉栽培品种Grande Naine (GN)以及抗线虫的香蕉栽培品种Yangambi km5 (Ykm5)的相互作用。通过比较GN和Ykm5根部的香蕉穿孔线虫损伤并分析被感染的根材料的化学成分，研究发现，与GN根部的损伤相比，Ykm5根部的损伤更小，而且在体外实验中能束缚并杀死香蕉穿孔线虫的化合物的浓度更高。而且这种抗线虫化合物仅仅出现在线虫感染的损伤部位，而没有出现在健康的植物组织中。这些发现提示在线虫感染的组织中的高浓度的抗线虫化合物可能是Ykm5植株抗香蕉穿孔线虫的基础。（PNAS）
蓝色矮牵牛花
蓝色花瓣在花的世界里很不常见。现在，科学家发现了一些矮牵牛花会开出蓝色花瓣的原因，这些花与那些人们熟知的经典红色和紫色牵牛花不同。研究人员发现，蓝色矮牵牛花发生了基因突变，使这种植物细胞中的两个“泵”失灵。正常情况下，这些泵能够确保花瓣细胞内的大隔层保持与一杯咖啡相当的酸度。离开这些泵，花瓣隔室的酸性降低，花瓣化学成分的变化会改变光在花瓣上的反射路径，这就赋予花朵呈现迷人的蓝色。这一新研究可能引导出设计玫瑰和兰花等其他植物品种的新方法，使它们生出稀有的蓝色花瓣。（Cell Reports）
植物中RNA编辑的新机制
RNA编辑被认为是生物体一种新的基因加工与修饰现象，是指DNA转录成RNA后除RNA剪切外的其他加工过程，RNA编辑广泛地存在于动物和陆生植物各种生物有机体中，发挥重要的生物功能。来自中国科学院植物研究所的研究人员研究揭示，四吡咯生物合成酶PPO1对于质体RNA编辑起至关重要的作用。研究人员利用拟南芥证实，在四吡咯生物合成信号中负责催化原卟啉原IX成为原卟啉Ⅸ的酶——PPO1具有一种意外的功能：参与编辑了一些质体RNA转录物的多个位点，其中大多数的质体RNA转录物负责编码的是NDH复合物的亚基。研究人员确定了多个RNA编辑因子MORFs，包括MORF2、MORF8和MORF9与PPO1发生了互作。他们发现在PPO1 的N端22-aa区域内存在有两个保守的模体，是它与MORFs互作，发挥RNA编辑功能，由此影响NDH复合物活性的必要条件。缺失PPO1四吡咯生物合成活性关键结构域的转基因植物显示正常的RNA编辑。此外，他们还发现编辑ndhB和ndhD位点需要MORF2和MORF9与三种PPR蛋白或相关蛋白互作。这些研究结果证实，四吡咯生物合成酶PPO1作为一种调控因子通过物理互作促进了MORF蛋白的稳定，在质体RNA编辑中起着极其重要的作用。(PNAS)
RNA甲基化表观转录组学研究获进展
6-甲基腺嘌呤是高等生物中含量最为丰富的一种RNA甲基化形式，平均每一条mRNA含有3-5个，存在于保守序列RRACH（R=G ,A; H=A,C or U）中。科学家利用生物化学、细胞、基因组学、生物信息学及模式生物等多层次技术手段，发现了M6A甲基转移酶复合物另外两个重要蛋白METTL14 (methyltransferase like 14)和WTAP, METTL14、WTAP和METTL3在体内形成功能复合物，催化m6A形成。METTL3和METTL14定位在mRNA加工相关亚细胞器nuclear speckle上，其定位依赖于WTAP；利用转录组、PAR-CLIP技术结合第二代测序技术，科研人员发现METTL3依赖于WTAP结合RNA，mRNA是该甲基转移酶复合物的主要底物。与WTAP和METTL3结合的基因存在选择性剪接模式的改变,WTAP和METTL3结合RNA MOTIFs在序列和距离与经典m6A甲基化RRACH高度一致,RNA代谢相关基因的表达和选择性剪接都受到METTL3和WTAP的调节。METTL3和WTAP基因敲低的斑马鱼胚胎都表现为组织器官分化缺陷和细胞凋亡增加。以上研究确认了WTAP作为调控亚基，调节m6A甲基转移酶催化亚基METTL3/METTL14的细胞内活性和定位。 该研究工作为进一步研究m6A的生物功能和RNA表观遗传提供了依据，为RNA甲基化修饰作为一种具有重要生物学调控功能的表观转录组学新概念提供了重要证据,从而为后续从RNA甲基化这一新角度展开恶性肿瘤等人类疾病的发生发展研究提供了理论依据。 （Cell Research）
第一个软骨鱼的基因组序列
象鲨(Callorhinchus milii)是澳大利亚南部和新西兰温带水域的一种本地软骨鱼，生活在200米到500米深处，在春季迁移到浅水中进食。该鱼作为第一种软骨鱼的基因组序列已被破解。与其他脊椎动物基因组所做比较显示，它是所有已知脊椎动物（包括腔棘鱼）中演化最慢的基因组。基因组分析表明，它有一个不同寻常的适应性免疫系统，缺少CD4受体和一些相关的细胞因子，这说明软骨鱼拥有一个原始的有颌类适应性免疫系统。其基因组中也没有编码分泌的钙结合性磷蛋白的基因，这与软骨鱼没有骨头的事实是一致的。（Nature）
生物荧光普遍存在于动物界
科学家日前首次找到证据，表明动物中存在普遍的生物荧光现象。研究人员发现超过180种鱼类（至少50个门类）能够吸收光线，并以一种不同的颜色将其再次发射出来。为了开展自己的调查，研究人员与摄影师及摄像师一道，在巴哈马群岛及所罗门群岛附近的海域进行了采样，这些海域是分类学最为富集的区域。研究人员同时还调查了来自马达加斯加岛、亚马逊河以及美国五大湖地区的淡水物种，这些动物同样来自于宠物商店和公共水族馆。研究人员在两种软骨鱼类（例如鲨鱼和鳐鱼）和硬骨鱼类（例如鳗鱼和扁头鱼）中发现了生物荧光现象。生物荧光现象与生物体发光现象不同，后者是指生物体通过一种化学反应产生光的过程。生物荧光还会出现在一些珊瑚、刺丝胞动物、节肢动物和鹦鹉中。而鱼类中的生物荧光现象似乎是海洋生物中最普遍的。其中的许多鱼类在眼中生有黄色滤光器，后者能够识别作为一种物种间“隐藏信号”的生物荧光图案。对于生物学家而言，这项研究同时确定了潜在的荧光蛋白宝库。荧光蛋白——例如最早于上世纪60年代在水母中发现的GFP（绿色荧光蛋白）——曾改变了基因表达、包括艾滋病在内的疾病，以及脑解剖学的研究历程。（PloS One）
分枝杆菌分辨不同巨噬细胞的方式
在其最初感染点上，结核病病原体感染巨噬细胞，后者将该细菌输送到更深的组织。该细菌在这些宿主细胞内是怎样生存的却不清楚。研究人员发现，结核分枝杆菌及其致病性近亲海洋分枝杆菌进化出了一个避开杀菌性巨噬细胞、同时招募那些允许它们生存的巨噬细胞的策略。这种偏向性的招募是通过两个步骤完成的：第一，该细菌通过生成“分枝杆菌结核菌醇双结核蜡酸酯”脂质来掩蔽被杀菌性巨噬细胞识别出的PAMPs (pathogen-associated molecular patterns，与病原体相关的分子模式)；第二，它们产生“酚糖脂”，后者通过宿主的一个“趋化因子受体-2”介导的通道促进“宽容”的巨噬细胞的招募。（Nature）
Wingless蛋白的长距离信号作用功能
形态发生素是发育过程中在生长和模式形成中起重要作用的分泌蛋白。形态发生素的一个关键特征是，它能通过一个扩散梯度在距原点一定距离处发挥作用。本文作者直接评估了果蝇的Wingless (wg)蛋白的扩散的功能。他们发现，那些其固有wg 基因被编码一种膜系留Wg蛋白的（该基因的）一个人工形式取代的果蝇是可以存活并具有生殖能力的。这些发现与认为Wingless起一个长距离信号作用的观点是一致的，但却对一个扩散梯度的必要作用提出了质疑。（Nature）
获得微小蛋白晶体结构的一种新方法
X-射线晶体学研究人员一般会花很多时间优化结晶条件，来获得产生高质量数据集所需的大的、非常有序的晶体。最近的研究表明，来自X-射线自由电子激光器的极短的、强烈的X-射线脉冲，可被用来在晶体的辐射损伤发生之前获得关于纳米到微米大小的蛋白晶体的数据。研究人员希望，这种方法（被称为“序列飞秒晶体学”方法）将能产生不会形成宏观的、非常有序的晶体的蛋白和蛋白复合物的结构。“序列飞秒晶体学”方法的一大局限性是，在没有事先知道一种蛋白的相关已知结构的情况下，此前一直没有可能确定其结构。在这篇论文中，作者介绍了“序列飞秒晶体学”方法何以能够与X-射线自由电子激光相结合，被用来通过实验解决“相位问题”，在没有事先知道一种蛋白是什么样的情况下生成它的高分辨率结构。（Nature）
一种新型耐热普鲁兰酶
普鲁兰酶是一种重要的工业用酶，可专一水解直链淀粉中的α-1,6-糖苷键，大量应用于淀粉糖化生产过程中，在高直链淀粉、高葡萄糖浆、高麦芽糖浆和干啤酒等生产中也具有广泛的应用。我国科学家从云南腾冲地区轮马热泉的淤泥中分离获得了一株耐热普鲁兰酶产生菌，属I型普鲁兰酶。16S rDNA序列系统进化树分析确定该菌为Anoxybacillus属种，并从中克隆获得耐热普鲁兰酶的基因（Accession No. HQ844266）。该基因在大肠杆菌中表达，最适温度为60℃，最适pH范围5.6-6.4，具有良好的热稳定性，在60℃下处理48小时，仍可保持50%以上的活力，是目前文献报道中比活力最高的耐热普鲁兰酶。晶体X-ray衍射分析该酶晶体结构，结果显示该酶具有淀粉酶13家族中典型的催化中心活性结构域，并首次在同类酶中发现N端具有一个独立的底物结合域，该结构域的缺失导致比活力和底物结合力的降低。在序列及晶体结构分析的基础上，通过对该酶进行理性设计改造，得到了一系列稳定性更好的突变体，其中突变体（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，能更好地满足工业的应用。同时，研究组将该普鲁兰酶编码基因克隆到pBE980载体，在枯草芽孢杆菌中也获得了异源高效表达，通过培养基优化，在优化培养基中摇瓶培养，胞外酶活可达350 U/mL。以上研究结果为普鲁兰酶制剂的国产化生产和应用奠定了良好的基础。（生物工程学报）
慢性乙肝治疗性疫苗研究获突破
中科院上海巴斯德研究所蓝柯课题组在慢性乙肝治疗性疫苗研究中取得新突破。在乙肝慢性感染过程中，针对病毒特异的效应细胞通常处于耐受或耗竭状态，主动免疫能够暂时性激活效应T细胞，但特异性免疫和免疫记忆反应很快恢复到病毒持续性感染形成的免疫耐受状态。因此，研究人员提出一种基于外源性抗原T细胞应答的免疫治疗概念，设计构建了一种重组乙肝病毒（rHBV）。rHBV激活的外源性T细胞应答将最终控制野生病毒的持续性感染。研究人员利用重组腺病毒载体携带rHBV，证实能够有效转导并稳定产生野生乙肝病毒的肝细胞系，被携带的rHBV相对于野生病毒具有显著的复制优势；同时，应用原代培养树鼩肝细胞证实，rHBV子代病毒具有感染性。研究结果极大增加了rHBV重组腺病毒载体的抗病毒效应。此外，研究人员还建立了基于腺相关病毒载体的乙肝慢性感染小鼠模型，并应用rHBV重组腺病毒的主动免疫治疗清除小鼠模型中乙肝慢性感染，实现乙肝病毒抗原的血清转换。这项研究体现了打破免疫耐受、清除慢性乙肝感染的有效治疗策略。(Journal of Virology)
人体面对病毒和细菌入侵时免疫系统反应机制的关键差异
一种名为STAT1的蛋白质，可以结合DNA，而且在调节机体基因上扮演着重要角色。STAT1可以对干扰素信号产生反应，此前研究认为，所有干扰素都是使用单独的STAT1包含的结构单元而不是STAT1链来调节基因的活性，然而来自诺丁汉大学的研究人员利用小鼠表达STAT1的突变形式使其不能产生结构单元，结果发现某些干扰素的功能被破坏了，而有些却未受到任何影响。当STAT1链的组装被抑制后，保护机体抵御病毒（比如水疱性口炎病毒）的I型干扰素并不会受到影响，而II型干扰素（保护机体抵御细菌感染的干扰素）的功能却会完全丧失。这项研究揭示了I型和II型干扰素作用的分子机制以及其差异，这对于后期开发合理的药物来治疗不同病原体感染的疾病非常关键。比如I型干扰素，其涉及抗病毒效应，可以阻断病毒增殖和复制，可以抑制全身病毒的扩散，这一类干扰素在临床上用于治疗肝炎病毒及许多癌症等疾病；而II型干扰素则用于治疗多发性硬化症以及黑色素瘤等疾病。该研究中的发现为将来开发更为有效的疾病疗法提供了一定思路。（Nature Immunology）
研究发现灵芝和九香虫可治疗慢性肾脏病
慢性肾脏病在国内外的发病率已高达10%以上。该病较为隐匿，缺乏治疗药物，易进一步导致肾衰，进而使患者依赖于血液透析和肾脏移植。由于慢性肾脏病发病机制复杂，因此科研人员认为从中草药中寻找新的防治药物是可能的。赤芝是中国药典收载的灵芝的一种，自古被称为仙草，中医认为其作用重在安神，而现代研究认为灵芝对多种疾病均具有防治作用，被誉为可包治百病的万能药。中科院昆明植物研究所的科研人员从赤芝中发现了一个具有“旋转门”形状的杂萜分子，可显著激活核转录因子Nrf2，显著抑制TGF-beta1诱导的Smad3磷酸化，并对下游的活性氧、促细胞炎症因子和胶原均具有显著的抑制效应，提示该化合物对治疗慢性肾病如肾纤维化具有良好前景。目前，该研究成果申请了中国发明专利。同时，他们从九香虫中发现了结构新颖的多巴胺三聚体，该化合物在肾小管上皮细胞上能显著抑制TGF-beta1诱导的Smad3基因磷酸化，并在肾系膜细胞上能显著抑制高糖诱导的促细胞炎症因子和胶原分泌，提示该化合物在干预慢性肾病如肾纤维化方面具有价值。(Organic Letters)
