生物技术前沿一周纵览(2014年3月14日)

2014-07-02 | 作者: 基因农业网 | 标签: 生物技术前沿一周纵览

揭示miRNA调控玉米穗发育的机制
 
microRNA(miRNAs)是一类内源性的非编码小RNA,在植物的多种生理过程中发挥重要调控作用,包括代谢、激素反应、转座子的表观遗传控制、胁迫应答等。研究人员应用高通量测序和芯片技术对玉米多个花序发育阶段的miRNA及其靶基因进行了系统鉴定和分析。研究人员使用深度测序、miRNA微阵列芯片,以及生物信息学方法鉴定和分析了玉米在四个穗发育阶段中的保守和新的miRNA,发现了22个保守的和21个玉米特异的miRNA家族以及相应的miRNA。通过比较上述发育阶段的miRNA表达谱,发现18个差异表达的miRNA家族。此外,研究人员采用降解组测序鉴定出102个小RNAs,包括98个miRNAs和4个ta-siRNA,靶向调控的141个基因(251个转录本),并重点探讨了差异表达miRNA介导的调控玉米穗发育的通路。在鉴定到的靶基因中,62个差异表达miRNA调控的72个基因(117个转录本)可能参与玉米发育。上述研究发现和表征的玉米中重要的调控基因将帮助我们更好地理解控制穗发育的分子机制。(BMC Genomics
 
 
破译芝麻遗传密码
 
在主要油料作物的种子中,芝麻的含油量平均较高,一般约为种子干重的50%~60%,最高可达65%,但其油脂合成基因相对较少。较高含油量和较小的基因组,使芝麻成为研究油脂合成的重要物种。虽然芝麻油脂合成基因总数较少,但与油脂分子转运有关的基因LTP1较大豆等显著扩张,其数量达34个,其中29个呈串联重复的形式分布在4个基因簇,这些基因90%具有种子表达活性。同时,与油脂降解有关的基因LOXLAH显著收缩。因此,研究人员推测芝麻高含油量的形成,得益于高效的转运和稳定的积累。他们还发现,芝麻含油量的差异主要产生于籽粒发育早期(10天左右)基因表达的差异,在芝麻三酰甘油合成的最后一步中,PDAT途径的差异对芝麻含油量高低的形成具有影响。该团队还发现在芝麻基因组中TIR结构完全丢失,这是在全基因组水平发现的第一个完全缺失TIR结构的物种,为研究植物抗病基因进化提供了新范例。(Genome Biology
 
 
木质素研究新发现为未来研究导航
 
在木本植物中,木质素占25%,是世界上第二位最丰富的有机物(纤维素是第一位)。它在工农业生产中的作用不可忽视,高含量的木质素是造纸工业的限制因素,增加了制浆造纸过程的成本与消耗,加剧了环境污染。此外,木质素不容易被食草动物消化,降低了饲料作物如苜蓿的营养价值。一项跨学科的木质素研究提供了一种新方法,将基因、蛋白质、植物化合物和工程结构模型的知识整合起来,以理解植物如何形成生长发育所需要的产物及结构,这一整合性的研究工作,为未来研究人员理解任何复杂的生物学特性,设置了一种新标准。跨学科研究小组纯化了21种途径酶,完成所有21种酶的定量,分析了189种与木质素形成有关的不同参数,开发了预测途径酶如何影响木质素含量和组分的模型,以及其中一种酶构成的一种新的四组分结构。这种模型,目前可以预测木质素数量和组分的变化,以及为什么很难在植物中改变木质素。这种类似GPS导航的研究结果,能够减少未来研究所需的研究时间,也为复杂的生物过程类的研究指出了一种成功的方法。(The Plant Cell
 
 
细菌IV型分泌系统解开细菌抗生素抗性基因蔓延之谜
 
研究显示,细菌IV型分泌系统能够在细胞间分配遗传物质,尤其是抗生素抗性基因,这一机制直接导致了医院环境中的抗生素耐药性传播。此外,它还在引发溃疡、百日咳、军团病一类严重肺炎的感染毒素分泌过程起至关重要的作用。新研究从分子结构和分泌机制等方面揭示出IV型分泌系统显著不同于其他的细菌分泌系统。利用电子显微镜,研究人员设法重建了在大肠杆菌中观察到的IV型分泌系统。这一结构由两个独立的复合物构成,一个在细胞外膜,另一个在细胞内膜,通过一个跨细胞周质(两膜之间的空间)的柄状结构连接。内膜和外膜上的这些复合物形成了膜孔道,一些物质可通过这些膜孔道分泌出来。了解这一分泌系统的结构将帮助科学家们揭示细菌移动一些物质穿过内膜和外膜的机制,这有可能最终帮助科学家们开发出一些人类细胞遗传修饰新工具,以细菌作为遗传物质载体,将它们分泌到细胞之中。了解细菌的分泌系统有可能帮助设计出一些新型化合物阻断这一分泌过程,由此阻止抗生素抗性基因传播。由于抗生素耐药已变得如此普遍,成为了人类健康的一个重大威胁,这项研究工作有可能对抗菌剂领域未来的研究产生相当大的影响。(Nature)
 
 
Argonaute 在细菌中起防止DNA入侵的作用
 
RNA 干涉 (RNAi) 在真核细胞中的一个功能是,通过一个过程来保护细胞不受外来“小单链RNA” (ssRNAs) 的影响。在这个过程中,被主体编码的短RNA结合同源RNA目标,并介导它们的降解。Argonaute (Ago) 是真核细胞中由RNA引导的RNAi通路的一个关键酶。很多原核生物也具有编码Ago的基因,但它们的生理作用此前仍不清楚。新的研究发现,原核生物的Ago (来自细菌Thermus thermophilus) 保护细胞不受DNA而不是RNA入侵。在本例中,Ago被加载了miRNA (与来自质体DNA的miRNA相似),后者结合并掀开互补的DNA链。(Nature)
 
 
新型DNA分析策略助力土壤宏基因组研究
 
传统的“鸟枪法”DNA测序工作就像撕碎整个图书馆的图书,然后在一大堆碎屑中进行再组装。为使浩瀚数据的分析效率提高,科学家们就基因组测序的后续数据分析方法做了不少探索研究。Brown等使用了一种压缩方法,这种方法与大型计算机文件(例如JPEG图像)通过互联网传递有共同之处,可使大量的数据被舍弃而没有减少实际数据。研究人员依靠这种被命名为“数字归一化(digital normalization)的方法完成了迄今最大的土壤DNA测序工作,使土壤宏基因组学研究所需的计算减少了2~200倍。该策略使困难的分析变得更加容易,使不可能实现的分析(特别是土壤宏基因组分析)变得容易接近,此外,还显著提高了困难生物的基因组装配,使转录组装配变得简单。宏基因组序列分析,为更好地理解一般土壤群落的功能,以及不同土壤生态系统的成分、多样性和功能的差异和相似之处,提供了研究手段。并为促进未来土壤和其它复杂环境的研究,提供重要的参考。使用这种简单策略还可拓展诸多方面的研究,如,提高把遗传学信息与生态功能联系起来的能力;建立“基因和生物体如何在土壤中进化”的模式以产生诊断工具,用于改善土壤管理、碳封存、生态系统服务和生产力。(PNAS
 
 
解析RNA去甲基化酶晶体结构
 
6-甲基腺嘌呤(N6-methyladenosine,m6A)是哺乳动物mRNA中最普遍和含量最丰富的一种RNA甲基化形式,也曾在植物和病毒的RNA中被发现过。m6A作为mRNA中存在的主要甲基化形式,可参与mRNA剪接、运输等加工过程,在基因表达调控中发挥重要的作用。m6A甲基化是可逆的,可在时间和空间上通过甲基转移酶和脱甲基酶调控。Alkbh5属于AlkB家族,是RNA脱甲基酶,能够在体外和体内去除m6A的修饰,这种可逆m6A甲基化参与调控mRNA表达水平和RNA代谢过程。鉴于Alkbh5作为m6A RNA脱甲基酶的显著生物学作用,阐明Alkbh5脱甲基活性的分子机制非常重要。研究人员分析了Alkbh5催化核心的5个高分辨率晶体结构,相比较其他AlkB蛋白,Alkbh5在这个家族典型的保守双链β螺旋顶部,显示出几个独特的结构特性,分析这些独特结构,为理解Alkbh5的底物识别特异性提供了结构基础,并为抗AlkB家族成员的选择性药物设计提供了依据。(Journal of Biological Chemistry
 
 
酶稳定化机制及策略研究获进展
 
作为高效、环境友好的生物催化剂,酶在生物材料、医药、能源等工业领域具有重要应用,但由于天然酶的生物学稳定性低、易失活,极大地限制了现代生物产业的发展。探讨酶稳定性机制、建立有效的酶稳定化策略已成为生物学和蛋白质工程中具有挑战性的工作。研究者提出了“酶活性中心稳定化”策略,即针对酶活性中心区域柔性较高、构象易变的特点,通过定向结构修饰来提高其刚性,从而提高酶动力学稳定性。研究人员在制备突变体晶体结构时发现,在保持酶活性中心原有骨架基础上,提高其内部二级结构稳定性是改善酶动力学稳定性的有效手段。 该研究有望为生物催化提供高稳定性新酶源,还可能为合成生物学设计、定制新型生物元件提供指导。(The Journal of Biological Chemistry)。
 
 
一个C-型凝集素可抑制虾血淋巴菌群
 
健康的脊椎动物或无脊椎动物,在其提供的微环境中与不同的细菌群落形成共生体。近年来,对于这种共生体建立机制的研究,已经取得了重大进展。在一些健康的无脊椎动物(如虾)中,细菌不仅存在于消化道,而且还存在于循环的血淋巴内。然而,对于血淋巴菌群内稳态的调节机制,在很大程度上仍然未知,研究人员也一直未发现在这种富营养环境中抑制细菌增殖的因子。无脊椎动物的C-型凝集素(CTLs),不仅经由糖识别域CRD有效参与病原体识别的最初阶段,而且还参与不同的抗菌效应物功能,例如固定、吞噬作用和清除、封装、瘤节形成、酚氧化酶原系统/黑化作用的激活等。研究人员确定和描述了一个在血细胞中高度表达的CTL,它存在于斑节虾(Marsupenaeus japonicus)的血浆中,具有很高的商业价值,研究人员称其为MjHeCL(M. japonicushemocyte C-type lectin)。尽管MjHeCL的表达不受微生物挑战的影响,但是研究人员发现,通过RNA干扰沉默其表达,能引起虾血淋巴中细菌增殖失控,最终导致虾死亡。一项机械学分析表明,MjHeCL通过调节抗菌肽的表达,能够抑制细菌的增殖。MjHeCL在虾免疫内稳态起关键的功能,可能是因为与其它凝集素相比,它能够识别更广泛的血淋巴微生物组分。这项研究阐述了MjHeCL在保持虾健康状态中的作用,为C-型凝集素的生物学意义提供了新的见解。(The Journal of Biological Chemistry
 
 
可应用于疫苗研发的蛋白设计方法
 
在一项采用计算蛋白设计方法来生成人“呼吸道合胞体病毒”(RSV)疫苗的新颖候选药物的研究中,准确模仿一个RSV抗原表位结构的人造蛋白支架,被发现能在恒河猴身上诱导产生中和RSV的有效抗体。此研究所用的蛋白设计方法,即,表位集中和支架为基础的疫苗的设计,进一步加以开发可用于多种其它目标的疫苗,包括抗原性高度可变的病原体,例如,人免疫缺陷病毒和流感。因此,在疫苗研发方面有可能获得广泛的应用。 (Nature)
 
 
华人学者开发单细胞印刷术
  
在传统的细胞培养系统中,培养皿内的细胞是随机分布的。如果你想要精确定位这些细胞,控制它们的间隔、排列及相互作用,一般细胞培养无法提供这一层面上的控制,但一个微流体单细胞印刷装置可以帮你做到这一点。在被称作BloC-Printing的“印刷”装置中,由聚二甲基硅氧烷(PDMS)制造的微流体装置里,细胞流经一系列管道并被钩状结构捕获,形成了模子。这样的模子可以被“印”在培养皿或载玻片上并取走,细胞以特定模式被保留了下来。这一技术对细胞完全无害,“细胞活性接近100%”。而此前的微流体设计都使用封闭的管道进行细胞捕获和培养,结果很难直接对细胞进行分离或化学干涉。这项研究展示了排列细胞并进行培养的简洁途径,对细胞生物学研究的发展很有帮助。BloC-Printing可以通过定位和监控,分析细胞间的相互作用。其他可能的应用还包括组织工程和药物研发,该技术特别适合筛选能改变细胞粘附或细胞通讯的化合物。研究人员利用这一技术,将染色的成纤维细胞放在未染色的成纤维细胞旁边,观察了染料通过间隙连接的转移过程。此外,单细胞印刷装置可以检测癌细胞的迁移能力,甚至还能够兼容初级神经元。(PNAS

 

来源:基因农业网

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