生物技术前沿一周纵览（2014年4月11日）
解析水稻株型发育新机制
研究首次报道了一个同源异型框基因DWT1在控制现代栽培水稻穗整齐生长中的关键作用。水稻的生长形态如株型、穗型、种子粒型等都对水稻产量具有重要影响。水稻植株由主茎和多个分蘖构成，主茎和分蘖之间的穗整齐度是影响水稻产量的另一重要因素。不同于野生稻，现代栽培水稻在人类驯化过程中形成了穗整齐生长的特征，株内主穗和各分蘖穗在成熟时期高度较为一致，穗大小也更为接近。这一特征的形成有利于获得更高的产量，但控制栽培稻穗整齐度的机制之前未见报道。通过对水稻突变体dwt1的研究，研究者发现位于水稻一号染色体上的WOX类基因DWT1(DWARF TILLER1)在突变后会导致水稻分蘖节间不同程度缩短，从而引起分蘖明显矮化、穗变小，而主茎高度无显著变化且穗变大，类似于顶端优势加强的表型。进一步研究发现DWT1在穗的枝梗原基中表达，通过一种非细胞自主的方式影响到穗下茎节节间的细胞分裂和伸长。DWT1可能通过影响一个未知的信号分子在穗部的合成或运输，调节穗下茎节中细胞分裂素的稳态以及茎节对赤霉素的响应能力，从而促进茎节伸长的这一重要发育过程。DWT1在分蘖穗中的表达水平显著高于主茎中的表达水平，这一表达差异是造成主茎和分蘖高度差异的重要原因。（PLoS Genetics）
水稻磷信号途径新结果
对生物体来说，重要的是能够感知其千变万化的营养状况，为获得最佳的生长和发育，相应地改变其基因表达，植物尤其如此。磷（P）是植物生长的一个关键因素。虽然土壤中磷含量丰富，但是能被植物直接利用的无机磷含量却很少。磷酸Pi（PO42-）是植物可利用的磷形式，在土壤中难溶，往往是植物生长的一个限制因素。植物已进化出一系列的自适应机制，能在低磷条件下提高磷的吸收和转运。PHR1是水稻磷酸盐信号的主要调节因子，可增强磷酸盐饥饿诱导（PSI）的基因，使Pi胁迫条件下的Pi获得增强。PHR2通过结合优先出现的顺式元件P1BS（PHR1结合序列），作用于许多Pi饥饿诱导（PSI）的基因。然而，PHR2转录水平对Pi饥饿并不敏感，转录因子PHR2活性究竟如何调节。研究人员利用共免疫沉淀（Co-IP）分析，确定一个SPX蛋白家族Os-SPX4（SPX4）参与了Pi饥饿信号传递，充当PHR2的负调节蛋白。SPX4的稳定性，高度依赖内部的Pi浓度，当Pi充足时，SPX4通过与PHR2之间的相互作用抑制PHR2与其顺式元件的结合，降低PHR2到细胞核的靶向性。当Pi缺乏时，可通过26S蛋白酶体途径加速SPX4的降解促进PHR2到细胞核的易位，激活PSI基因的表达。这表明SPX4可在不同Pi条件下感知内部的Pi浓度，并调节适当的反应来保持植物体内的Pi内稳态。（Plant Cell）
禽流感病毒的历史
我们对RNA病毒作为对人类健康的威胁出现背后的因素仍然不是完全了解。研究者提出了跟踪禽流感病毒演变的一个新方法。他们的宿主特异性“本地时钟”(local clock)模型将各种不同病毒宿主世系的独立分子演变速度考虑了进去。系统发育基因组分析表明在所有基因组区段存在一个一致的演化史，同时也识别出马的H7N7世系是来自鸟类毒株的一个姐妹演化枝，也是来自人类、猪和马的H3N8世系的一个姐妹演化枝，在19世纪与它们共享一个祖先。这样所产生的西半球禽流感病毒世系随后为1918年大流行的病毒贡献了其基因组片段的大部分，同时也为1963年的马H3N8兽疫世系独立贡献了基因组片段。（Nature）
能延长小鼠寿命的一种与糖相关的化学物质
关节炎患者广泛使用的一种饮食补充物能延长蠕虫和衰老小鼠的寿命。与糖相关的化学物质“D-葡糖胺”（该物质被认为对人类使用是安全的，购买无需处方）是通过模仿含碳水化合物低的一种饮食的分子效应产生这种寿命延长效果的。能延长生物寿命的化学物质是人们迫切想得到的，但能够可重现地延长小鼠寿命的并不是很多，一般被认为对人类使用安全的就更少了。研究者对比较“老”的、大概两岁的小鼠使用了氨基糖“D-葡糖胺”，发现对两种性别的小鼠它都能延长其寿命。通过研究该效应在蠕虫身上的机制基础发现，“D-葡糖胺”能降低葡萄糖代谢和增加氨基酸周转。鉴于“D-葡糖胺”早就被人类使用，甚至高剂量也普遍被认为是安全的，“D-葡糖胺”有可能被广泛用作干预手段，来延长人类的健康时间或寿命。（Nature Communications）
一个细菌集光复合物的结构
光合作用生物能将太阳能转化成细胞可以利用的一种形式。研究人员获得了与Ca2+和各种辅因子结合在一起的一个完整的细菌“集光天线-反应中心”（LH1–RC）复合物的第一个接近原子水平的结构。LH1亚单元形成围绕反应中心的一个环，细菌叶绿素和螺菌黄素辅因子位于该环内，Ca2+离子在LH1的周质（periplasmic）侧。该结构显示了能量是怎样被高效地从集光天线传递到反应中心的，同时也为了解泛醌怎样穿过一个封闭的LH1屏障提供了信息。（Nature）
利用二氧化碳生产蛋白质方面取得重要进展
近年来，由于全球气候、环境和能源问题，二氧化碳的封存、固定和转化技术备受关注。光合自养原核生物蓝细菌（Cyanobacteria）由于生长相对快、不产内毒素、表达外源基因不形成包涵体等优点，成为二氧化碳生物转化的研究热点。通过对蓝细菌进行工程改造，已经可以将二氧化碳生物转化为一系列酮、醇、酸等化学品。然而，在利用二氧化碳生产蛋白质方面，一直进展缓慢。目前在蓝细菌中表达外源基因的启动子多来源于大肠杆菌，但即便用最强的大肠杆菌启动子，蓝细菌中外源基因的表达水平仍然很低。研究者通过比对、分析不同物种启动子及表达测试，发现并证明蓝细菌基因组上的转录因子结合位点（Transcription Factor Binding Site，TFBS）对蓝细菌启动子强度起决定作用。据此提出了设计蓝细菌启动子时要考虑TFBSs的新原则，并开发了一个适用于蓝细菌的超强启动子Pcpc560。在Pcpc560的控制下，外源基因在蓝细菌中的表达量可以达到可溶性蛋白的15%，与大肠杆菌中外源基因的表达水平相当。该研究为以二氧化碳为原料生产蛋白质和化学品提供了一个重要工具。（Scientific Reports）
发现噬菌体中存在病毒裂解支架蛋白
大假单胞菌噬菌体编码一种微管蛋白样细胞支架蛋白，称为PhuZ，它能在受感染细胞中形成一种纺锤体样细胞骨架专为病毒裂解增长。虽然PhuZ蛋白有一个保守的微管蛋白折叠，但它们拥有一套独特的结构特征，如，一个狭长保守的羧基端和一个缺少或截短的螺旋。研究人员利用低温电子显微镜获得高分辨率的PhuZ微管蛋白丝的三维结构，了解其组装机制。除了揭露噬菌体微管蛋白形成一种异常的三股螺旋细丝外，这项工作还描述了在稳定细丝结构中如何拓展使得羧基端扮演多重角色，重排的细丝组件同时调节纵向和横向细丝接触。（Structure）
破解牡蛎玻璃护甲之谜
牡蛎的外壳非常透明且坚固，在印度和菲律宾的一些城市，它被用来当作玻璃的替代品。但是，牡蛎外壳99%的组成物质都是方解石，这是一种只含有很少有机材料的易碎物质。牡蛎只有手指甲厚的外壳为何能够在抵御多重撞击时还能保持透明，令人造材料望尘莫及。当研究者用金刚石钻牡蛎的外壳时，它能抵抗10倍于方解石承受力的压力，且依然完好无损。在利用电子显微镜观察牡蛎外壳的晶体结构后，研究者终于发现了它的秘密。当承受压力时，牡蛎外壳的晶体结构也会相对扭曲，使得原子重组生成新的边界，避免发生任何形式的破裂。该过程被称为塑变双晶，牡蛎能够将垂直压力水平驱散开，使得自己的壳可以承受多次重击。此外，方解石层与层之间还存在有机物质，避免在水平驱散压力时发生开裂。研究者认为，该研究成果能够为新一代挡风玻璃提供坚固透明的材料，甚至能够为军人提供“透明装甲”。（Nature Materials）
