生物技术前沿一周纵览（2014年1月31
巧解基因编辑脱靶问题
CRISPR-Cas 9技术是当今重要的基因编辑技术，可用于切割特定的DNA片段，以进行基因改造，但该技术存在脱靶突变问题。麻省总医院（MGH）的研究人员发现，只需简单截短gRNA靶标区域的长度，就能大大提高它的特异性，大幅减少预定目标之外的DNA突变，与全长gRNA相比，一些位点的突变频率甚至减少了5000倍以上。重要的是，在靶向它们的预定目标DNA时，这些缩短了的gRNA（称为tru-gRNA）与全长gRNA同样有效。研究团队通过逐步缩短gRNA，构建了一系列RGN，17/18个核苷酸的靶向区域，能够比全长gRNA更有效地靶向预定序列。但如果gRNA的靶向区域只有15/16个核苷酸，活性就会很弱甚至完全没有活性。进一步研究显示，17个核苷酸的靶向区域能够有效在人类细胞中引入突变，其脱靶效应非常小，就算在只有一两个核苷酸错配的位点，也几乎检测不到脱靶。尽管还没有完全理解tru-gRNA减少脱靶效应的机制，但我们猜测原始系统拥有过多的能量，使它可以剪切不完全匹配的位点，通过缩短gRNA，能量减少到只够进行精确剪切的水平，令核酸酶无暇剪切脱靶位点，这其中的具体机制还有待进一步实验的验证。（Nature Biotechnology）
病毒miRNA调控对虾抗病毒
病毒，尤其是DNA病毒，会产生自身的microRNA（miRNA）来调控宿主和病毒基因的表达，在病毒-宿主相互作用中具有重要作用。浙江大学生命科学学院章晓波教授课题组首次对对虾体内的白斑综合症病毒（WSSV）编码的miRNA进行了表征分析，揭示了病毒miRNA调控宿主抗病毒的机制。研究人员采用高通量测序技术对WSSV侵染的对虾（Marsupenaeus japonicus）小RNA组进行分析，并结合先前的研究数据，共鉴定出89个假定的WSSV miRNA。利用μParaflo®微流体定制miRNA芯片分析和Northern杂交验证揭示出病毒miRNA的表达在对虾体内具有组织特异性。进一步实验表明，病毒miRNA WSSV-miR-N24可以靶向调控对虾的caspase 8基因，从而抑制对虾体内血细胞的凋亡。此项研究首次报道了病毒miRNA在体内调控宿主抗病毒细胞凋亡的分子机制。（Journal of Virology）
成纤维细胞转分化为神经元的研究
神经干细胞以及神经元研究是神经系统疾病治疗和再生医学的前沿领域，对理解大脑的发育、可塑性以及神经系统疾病的诊断和治疗有重要价值。通过将来源方便的皮肤成纤维细胞诱导转分化为功能性神经元，从而替代受损和死亡的神经元具有重要的应用前景。中国科学院动物研究所焦建伟实验室的前期工作首次实现了以非整合系统腺病毒包装系统，导入基因并转分化成功。该系统不将外源基因整合入原细胞基因组，从而减少了外源基因整合对细胞的影响，最大限度保持了诱导后细胞与原代神经元在基因表达和功能上的一致性，为后期安全的临床应用提供了可能性。但之前的诱导效率还比较低，该小组进一步探索如何组合新的基因从而提高转分化效率。通过一系列筛选，发现孤核受体Rarg和Nr5a2可以极大提高成纤维细胞到神经元的转分化效率，并且转分化的时间缩短，转分化神经元的功能和成熟度均有不同程度的提高。这些基础研究成果将为神经元细胞的移植治疗提供更多来源及理论参考。（Journal of Biological Chemistry）
真菌保证热带雨林的物种多样性
通常被视为有害的“植物杀手”真菌在热带雨林的生物多样性管理中起着重要作用。来自牛津大学、苏黎世联邦理工学院与谢菲尔德大学等机构的研究人员发现，真菌可通过侵害热带雨林的优势树种，来管理热带雨林的多样性。它们能够在相同物种密密麻麻的植物之间快速地蔓延，阻止它们占主导地位，并使许多各种不同的物种能够茂盛生长。在植物世界里，近亲属是坏邻居。靠近相同物种植物生长的幼苗更容易死亡，产生这种现象的原因之前并不清楚，在该项研究中发现，真菌起着至关重要的作用。让人惊讶的是，微小的真菌，能够对整个热带雨林产生如此深远的影响。真菌能够阻止任何一个物种占据雨林的主导地位，因为它们很容易在相同物种的植物和幼苗之间传播。如果一个物种的许多植物在相同的地方生长，真菌就会迅速减少它们的种群规模，调整“生长场地”以给更稀有的物种一个生长机会。用杀真菌剂喷洒试验样区后，许多其他物种被损害，试验区很快就被少数几个物种占据，导致多样性的显著下降。进一步研究还表明，去除昆虫或卵菌都不会影响热带雨林的多样性。真菌在热带雨林的生物多样性维持过程中，起着至关重要的作用，它们能够防止一些非常有竞争力的物种占据主导地位。这有助于解释热带雨林比温带森林更加的多样化，并且，在更潮湿和更热的地区，真菌的作用或许更强，因为在那里它们生长繁茂。这对雨林将如何应对气候变化具有重要的意义。（Nature）
细胞色素b561结构解析
抗坏血酸（维生素 C）是真核生物中许多基础代谢反应所需的物质，也是人类的必要营养素，在保护机体应对氧化压力中具有重要作用。细胞色素b561（Cyt b561）是一种抗坏血酸依赖的氧化还原酶，这种真核生物独有的酶高度保守，具有多次跨膜的结构。Cyt b561 在许多重要的生理学过程中具有关键性作用，例如抗坏血酸的回收再利用、以及铁吸收等。清华大学生命科学学院施一公教授领导的研究小组对拟南芥的Cyt b561 进行了结构分析，获得了高分辨率的晶体结构。科研人员分别研究了无底物结合和有底物结合这两种状态的 Cyt b561 结构。研究显示，Cyt b561会形成二聚体，二聚体中的每个原体（protomer）包含六个跨膜螺旋和两个血红素。带负电荷的底物抗坏血酸（或单脱氢抗坏血酸），位于膜内和膜外的正电口袋中。Cyt b561识别和催化底物依赖两个高度保守的氨基酸，Lys81和His106。此项研究通过结构和生化分析，向人们展现了Cyt b561 家族的一个通用电子转移机制。（PNAS）
在蜜蜂中发现致病植物病毒
一种通常感染植物的病毒病原体被发现存在于蜜蜂体内，可能有助于解释蜜蜂数量下降的原因。中国中国农业科学院和美国农业部农业研究局（ARS）的研究人员对蜜蜂进行常规筛查寻找常见及罕见突变时，偶然检测到了烟草环斑病毒（Tobacco Ringspot Virus, TRSV），促使了该小组对该植物感染病毒是否也可能引起了蜜蜂的全身感染进行了研究。研究结果表明接触病毒污染花粉的蜜蜂也会受到感染，并且感染在它们的身体内广泛存在。当研究人员将蜂群分为“强”、“弱”两类时，发现在弱蜂群中TRSV和其他病毒更为常见。高水平多重病毒感染的蜂群在深秋开始衰弱，于二月之前死亡。相比之下，那些较少病毒攻击的蜂群则在整个寒冷的冬季存活下来。研究人员也在大蜂螨（Varroa mites）的体内检测到了TRSV，大蜂螨是一种“吸血”寄生虫，在它们吸食蜜蜂的血液时会在蜜蜂之间传播病毒。但不同于蜜蜂，大蜂螨相关的TRSV仅局限于它们的胃盲囊，表明大蜂螨有可能促进了TRSV在蜂群内的水平传播，但自身却不会患病。感染蜂王产下受到感染的卵，表明TRSV能够从蜂王母亲垂直传递给它的后代。TRSV和其他蜜蜂病毒日的趋流行与宿主种群逐渐衰落有着密切的关系，由此支持了这一观点：病毒感染对群体生存造成了显著的负面影响。科学家呼吁要加强对潜在宿主跳跃事件的监控。（mBio）
可生物降解的高能糖电池有望替代传统电池
来自弗吉尼亚理工大学（Virginia Tech）的研究人员开发出了一种新型电池，它以糖为能源提供电力，能量密度达到前所未有的水平，继续发展有望替代传统电池成为一种廉价的、可充电而且可生物降解的电池。虽然现在也有其他糖电池，但此项研究的糖电池能量密度比以前的高出一个数量级，在充电之前运行的时间更长。预计三年后，这种糖电池将能为手机、平板电脑、视频游戏和大量其他电子器材供电。这种糖电池利用了一系列酶，这些酶以一种自然界没有的方式组合在一起。研究人员新构造了一种非天然式的合成酶路径，能从糖里面获取所有的电荷势能，在一个小小的酶燃料电池中产生电流。相对于传统电池使用昂贵的铂金作催化剂，生物酶催化的成本非常低廉，通过一种酶流注技术，能够把糖溶液中的所有电荷缓慢地、一步步地释放出来。就像所有其他燃料电池一样，糖电池也是一种联合燃料。研究人员用的是麦芽糊精和空气产生电流和水，麦芽糊精是一种多聚糖，由淀粉部分水解形成，水是主要副产品。糖电池和氢燃料电池、直接的甲醇燃料电池不同，糖溶液燃料不会爆炸、燃烧，能量存储密度更高。制造这种电池的酶和燃料还能生物降解。此外，糖电池还能再次充电，在其中加入糖就像给打印机的墨盒装入墨水一样简单。（Nature Communications）
H7N9禽流感病毒动态重配模式研究
理清人感染H7N9亚型禽流感病毒病毒的演化和流行模式对于禽流感的防控至关重要。中国科学院微生物研究所和国家CDC、江苏省CDC、杭州市CDC、泰山医学院等单位利用100多株H7N9禽流感病毒的基因信息，对于系统发生、溯祖、病毒分型以及遗传谱系进行了分析，绘制了H7N9禽流感病毒的动态重配模式和传播路径。研究表明，H7N9病毒的重要基因HA和NA没有发生抗原转变，结合流行病学调查，病毒人传人的可能性极小。但是，目前病毒的内部基因重配比较复杂，没有规律性，表明病毒在家禽和人中并没有适应，还处于快速的变异期。尤其是在家禽中，H7N9病毒和H9N2病毒的动态重配（dynamic reassortments）非常普遍，并依此对病毒自身的适应性进行遗传调整（genetic tuning）。研究结果还显示，家禽运输对于病毒的传播具有重要作用。因此，控制人感染H7N9禽流感病毒最重要的是控制禽到人的传播路径。做好活禽市场的消毒防卫措施，定期进行活禽市场和家禽运输的监控将能够很好地控制病毒的传播与流行，有效降低人感染H7N9禽流感病毒的风险。（Nature Communications）
解析纺锤体的定向机制
细胞分裂的方向对于细胞的命运和组织的构成非常关键，而细胞分裂的方向依赖于有丝分裂时纺锤体的正确定向。南开大学的周军教授领导研究团队对有丝分裂时的纺锤体定向进行了研究，发现细胞因子CYLD（cylindromatosis）对于调控纺锤体定向非常关键，并在此基础上解析了CYLD的作用机制。CYLD具有双重功能，它既是一种微管结合蛋白，也是一种去泛素化酶。在有丝分裂的过程中，CYLD高度表达。研究人员发现，CYLD能够稳定星状微管（astral microtubule），确保微管延伸到细胞皮层（cell cortex）并与皮层相互作用。研究显示，CYLD的去泛素化活性，去除了dishevelled蛋白的多聚泛素链。而dishevelled的去泛素化，会增强它与细胞核有丝分裂装置的相互作用，帮助该装置和dynein/dynactin复合体在细胞皮层定位。而这些都是星状微管上生成拉力的必要条件。文章指出，CYLD是有丝分裂时纺锤体定向的重要因子，对机体健康有重要的影响。(PNAS)
植物叶片关闭气孔抵御病原菌入侵
中科院昆明植物所发现了野生二倍体烟草抵御链格孢菌入侵的分子机理，从而为防控该真菌导致的病害提供了指导。链格孢菌是一种营腐生生活的病原真菌，其多个病理小种可感染很多经济作物，如马铃薯、柑橘和烟草。然而，目前尚无很好的办法防控该真菌。科研人员以分子生态学研究中应用最广的野生二倍体烟草为模式植物，发现该病原菌主要通过叶片的气孔侵入，而野生烟草可以快速地通过激活脱落酸信号和下游的有丝分裂原激活的蛋白激酶4来关闭气孔，达到降低病原真菌入侵的目的。同时，饲喂外源的脱落酸或者黑暗处理，都可以诱导气孔快速关闭，因此这两种处理都能增强植物对该病菌的抗性。与之相反，当有丝分裂原激活的蛋白激酶4基因被沉默后，植物的气孔不再对真菌入侵作出关闭反应，并由此导致该植物非常容易感病。研究还发现，不同叶龄的叶片对链格孢菌的抗性并不一样。成熟的叶片感病，而幼嫩的叶片抗病。幼嫩叶片抗病部分是因为其不能更强地诱导脱落酸信号途径所致。这些结果在很大程度上回答了为何大田里链格孢菌在成熟的烟草叶片上高发。（Plant Pathology）
