生物技术前沿一周纵览(2014年2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

植物基因组的保守和扩大

被子植物(即开花植物)是主要的作物植物,并且在碳汇中具有至关重要的作用。因此,对它们的起源进行分析,将为我们提供关于这些作用起源的重要线索。研究发现,无油樟科是所有其他现存开花植物的姊妹种系的单一生物物种,科学家建立了一种针对具有大型且复杂基因组的非模式物种的新的测序和组装流水线策略。对无油樟基因组的测序诠释了无油樟科的核序列,将无油樟科核基因组与22种陆生植物基因组进行比较,鉴别出超过1000个最初出现在被子植物中的基因,这些基因很可能与被子植物的起源有关。许多与开花有关的基因早于被子植物的起源时间,从而意味着这些基因能够增进似花的功能。无油樟科的3.9Mb的线粒体基因组,比许多细菌基因组都大。作为水平基因转移的一个结果,它包含了从绿藻、苔藓和其他被子植物获得的6个线粒体基因组的基因。水平基因转移的这一规模包括4种之前未曾发现的全基因组转移。随着外来DNA中获得如此大的延伸,并完全来自绿色植物的线粒体,作者认为转移发生在于捕获整个线粒体,紧随线粒体融合之后。无油樟科独一无二的进化位置将提供许多开花植物进化的信息。而水平基因转移也提出了许多关于线粒体基因转移机制和线粒体融合进化的新问题。(Nature Reviews Genetics)

葫芦在新大陆的起源

一项研究发现,哥伦布之前时代的驯化葫芦(Lagenaria siceraria)在1万到1.1万年前很可能通过洋流从非洲到达了新大陆。此前的研究提出,葫芦可能随着新大陆的首批定居者跨过了白令海峡。但是北极的气候很可能对于热带葫芦而言太恶劣而使它们无法忍受这一旅程。研究人员分析了考古葫芦样本和活葫芦样本的DNA,结果发现哥伦布之前时代美洲的葫芦源于非洲葫芦,而不是此前认为的源于亚洲葫芦。洋流漂流模型表明在晚更新世期间的洋流可能用不到1年的旅行时间把葫芦从非洲带到了南美洲,这足以让种子发芽并且在到达陆地之后生长。葫芦可能一直是通过大型哺乳类动物在美洲大陆传播的,然后被人类驯化。这组作者说,这些结果提示葫芦的驯化是在跨大洲的传播之后出现的地理扩散事件,而不是在其到达新大陆之前的一个单一事件。(PNAS

演化:农耕对雨林狩猎-集采者的影响

距今大约5000年前,农耕在非洲中西部的出现,引发了农业和定居生活方式在整个撒哈拉以南非洲地区的传播。然而,一些雨林狩猎-集采者人群仍继续以流动部落形式生活,农业文化和技术的扩散对雨林狩猎-集采者的人口历史的影响目前在很大程度上仍不清楚。科学家从整个撒哈拉以南非洲地区的现代雨林狩猎-集采者和农耕者那里采集、生成了全基因组范围的单核苷酸多态性数据,以此来研究这些人群之间的遗传多样性和演化关系。他们发现,这两个人群之间的基因流动只是在过去1000年才出现,说明这两个人群之间最初的互动仅限于社会-经济思想如工具及植物栽培技术等的交流。这些基因组特征进一步表明,非洲农耕人群的扩大是在农业出现之前发生的,因此不能被归因于后者。该研究为了解农耕对这些人群的社会影响提供了线索,同时也突显了最近发生在这两个人群之间的基因交换。(Nature Communications)

科学家绘制受气候变化影响的物种地图

一个国际研究小组绘制出了气候变化对物种影响的地图。该研究小组由来自澳大利亚、加拿大、英国、美国、德国、西班牙等国的18位科学家组成。他们通过分析1960-2009年期间海面和陆地温度数据,并对未来气候变化进行评估,用地图方式显示出未来气候变化的速度、方向,以及气候变化对生态多样性的影响。由于气候变化仍在持续,动、植物需要适应变化,甚或通过迁移以寻找适宜的气候。研究结果显示,澳大利亚在经历气候变暖。在陆地,已有很多生物开始向更高海拔或更高纬度地区迁移。但也有一些物种无法长距离移动或根本无法移动。而海水的变暖和不断增强的东澳洋流也在改变着海洋生物的生存环境。原本“足迹”最南只达新南威尔士南部海域的长刺海胆如今也出现在塔斯马尼亚州附近海域,导致那里的海藻林大面积消失,对当地的岩龙虾养殖业造成严重影响。面对前所未有的气候变化、以及已经被过度索取的地球,人们需要迅速采取行动,尽可能地保护地球生物资源在气候变化中得以幸存。这一研究成果将为保护动、植物提供重要信息。(Nature

海洋微生物的化学多样性

来自细菌的几乎所有药物和候选药物,都是由少数几组代谢丰富的生物产生的。这使得那些占绝大多数的、不能培养或没有培养出的微生物成为一个基本上未被开发利用的资源。Jörn Piel及同事在本文中报告,他们利用单细胞和元基因组分析识别出两个潜在的“环境工厂”,二者都是候选属Entotheonella的成员,是化学物质丰富的海绵Theonella swinhoei的共生体。重要的是,他们发现,两种微生物的基因组都编码多个截然不同的生物合成基因簇,这些基因簇一起可解释过去被认为是由海绵寄主生成的生物活性聚酮化合物和肽的大多数。这一发现将Entotheonella和新提出的Tectomicrobia门的成员确定为与放线菌相当的一个“有生化才能的”(biochemically talented)门。(Nature)

毒性较小抗生素的合成

氨基糖甙抗生素通过与细菌的核糖体(细胞内制造蛋白质的必要机器)结合来攻击它们。然而,人类细胞也含有它们自己的核糖体,与这些人类核糖体的零星“脱靶”结合导致在一些患者身上产生不良副作用。研究人员对现有的氨基糖甙进行了改性,发现这样所产生的化合物与常用氨基糖甙相比对培养的人类细胞毒性较小。而且,这些新的化合物在用于针对被感染的小鼠体内能致病的金黄色葡萄球菌时还保留了抗生素活性。更低的毒性与针对细菌核糖体的更高选择性和针对人类核糖体的更低活性相关。这项工作代表着朝研发毒性较小氨基糖甙抗生素的方向所迈出的重要一步。(Nature Communications

天然植物化合物防止小鼠AD记忆力减退

最新研究发现在水果和蔬菜比如草莓以及黄瓜中发现一种化学物似乎能够防止阿尔茨海默氏病小鼠的记忆力减退。这种物质是一种叫做非瑟酮的黄酮醇,每天服用可以防止进行性记忆力和学习障碍,且并没有改变大脑中淀粉样蛋白斑。前期研究已证实非瑟酮有助于保护神经元。研究人员利用分离的细胞培养和小鼠开展研究,探讨化合物如何对大脑中细胞具有抗氧化剂和抗炎作用。研究发现,非瑟酮可以开启记忆相关的细胞途径。非瑟酮具有多个特性,当涉及到阿尔茨海默氏症可能是有益的。以阿尔茨海默氏症双基因突变的小鼠为实验动物,研究人员自小鼠三个月大时开始向它们的食物中增加非瑟酮。随着小鼠的成长,研究人员以水迷宫测试他们的记忆和学习能力。九个月龄时,没有收到非瑟酮的小鼠开始在迷宫中进行更差。得到每日剂量化合物的老鼠在九个月及一岁,与正常小鼠相比没有明显差异。对小鼠大脑中不同分子水平的检测结果显示,未治疗的阿尔茨海默氏症小鼠中,参与细胞炎症信号通路被打开,而采取了非瑟酮治疗的动物,这些信号通路被阻碍,或抗炎分子发挥作用。 当非瑟酮被治疗时,一个特定的蛋白质P35由于裂解被阻断。p35的剪切与开启和阻断多个分子途径有关。(Aging Cell)

新型禽流感H10N8病毒

中国疾病预防控制中心、江西省疾控中心等机构的研究人员对新型H10N8禽流感病毒造成的首例死亡病例进行了分析,认为这种新型病毒混有其他禽流感病毒的基因,目前还没有证据表明其是否会流行蔓延或人际传播。研究人员通过基因测序、气管吸入样本检测等手段对这种病毒进行了详细研究。结果发现,它与2007年和2012年在水样和活禽身上发现的H10N8病毒并不完全相同。这种新型病毒从H9N2禽流感病毒中获取了6种基因并重组,可对人类肺部深层组织造成感染,进而在人体内迅速复制。新型H10N8病毒最早来源于野生鸟类,通过感染家禽最终传染给人。最近一例确诊感染新型H10N8禽流感病毒患者曾去过集贸市场。目前掌握的信息还不足以判断H10N8病毒引发大流行的能力,不能排除还会有人感染这种病毒的可能性。此外,这种病毒在禽类中不会引发明显感染症状,因此更需加强监控。(The Lancet)

蜜蜂的飞行高度

虽然听起来不可置信,但蜜蜂的飞行高度可以轻松达到8000米以上。美国怀俄明大学和加利福尼亚大学伯克利分校的动物学家发现,蜜蜂通过更大幅度地扑扇翅膀实现这一目标,并已经在实验室证明了这一点。研究人员相信蜜蜂的这个技能可以帮助它们躲避其他地方的捕食者。研究人员捕获了中国四川地区3250米海拔高度饲养的五只雄性大黄蜂,把它们放在玻璃房中。一旦它们扇动翅膀往上飞,通过一个手动泵玻璃房中的气压就会模拟外界500米高度间隔条件出现下降。结果显示,五只大黄蜂都能在相当于7400米高度的气压下飞行,其中3只能在8000米以上高度飞行,另外两只的飞行高度甚至超过了9000米。研究人员观察到大黄蜂并没有改变它们的振翅频率,而是加大了振翅幅度,这意味着向下推动更多的空气分子。(Biology Letters

果蝇信息素与性行为

一项研究提示,果蝇信息素的进化很可能让雄性利用了其他雄性预先存在的感觉偏差,从而表现出竞争配偶的性状,但是人们尚不清楚这些性特征是如何出现并且进化的。研究人员研究了一种称为CH503的信息素的进化起源,这种信息素是由雄性果蝇分泌的,在交配时转移给雌性,而后阻止了其他雄性向这些雌性求偶。研究发现,只有属于黑腹果蝇亚群的雄性果蝇才会分泌CH503,这提示这种信息素起源于这个亚群。然而,来自属于各种亚群的其它果蝇物种的雄性也对CH503做出反应,而且对于这种抗性欲物质敏感,尽管它们自己不制造这种信息素。此外,CH503在黑腹果蝇亚群中抑制求偶行为的效果比其在其他类型的雄性果蝇中的效果要差,这提示产生CH503的雄性可能已经进化得对性抑制信息素不那么敏感了。综合起来,这些发现揭示了一种通过进化而赋予雄性交配优势的性状,而这一性状反过来又是如何在这些雄性中驱动了感觉适应的进化的。(PNAS

新细胞打印技术BloC Printing

美国休斯顿卫理公会研究院的研究人员开发出一种可将活细胞打印到任何表面和几乎任何形状上的技术,且整个过程中几乎所有的细胞仍能存活。这种方法在半个小时内可产生2D细胞阵列,打印出的细胞紧密到接近5微米(大多数动物细胞在10-30微米宽),并允许使用许多不同类型的细胞。研究人员将这种技术命名为批量细胞打印(BloC打印)。喷墨打印方法打印二维和三维细胞已基本成功,但有时只有一半细胞在打印过程中存活。而BloC打印,接近100%的打印细胞仍是活着的。BloC打印通过操纵微流体引导活细胞进入在硅胶模具里的钩状陷阱。细胞流沿着模具的一列,越过被困的细胞到下一个可用的槽隙,最终建立一行细胞单元,形成网格线。在模具的创建过程中,陷阱的位置和间距,以及由细胞通行形成的通道形状可自行配置。当模具被移走后,活的细胞留下,附着在生长介质或其他基质上按规定形成。该研究小组通过癌变细胞和神经细胞对BloC打印进行了测试。实验证实该技术可能有助于早期诊断癌症,并可能有助于理解阿尔茨海默氏病和其他神经退行性疾病。BloC打印可以与许多类型的药物筛选、RNA干扰以及分子细胞相互作用研究的分子打印相结合。这项技术未来具有很大潜力。不过,虽然这种打印的细胞存活率很高,喷墨打印仍然是比较快的,并且BloC打印还不能像喷墨打印一样可打印出多层结构。(PNAS

利用CRISPR/Cas9技术构建基因工程猴

来自中国的研究人员报告称获得了第一批携带定向突变的基因工程猴,这一成果为构建出更现实的人类疾病研究模型奠定了基础。转基因小鼠长期占据人类疾病模型的主导地位,部分原因在于科学家们已掌握了一种针对小鼠的基因编辑方法:利用同源重组来导入突变。由于小鼠能够快速且大量地繁殖因而这种策略能够起作用,但低同源重组率使得这种方法无法在诸如猴子等繁殖缓慢的生物中施行。来自南京大学模式动物研究所、南京医科大学和云南省灵长类生物医学重点实验室的研究人员成功地利用 CRISPR/Cas9 系统对孪生的食蟹猴进行了精确的基因修饰,首次在灵长类动物中获得成功。研究人员首先在一种猴细胞系中对这一技术进行测试,破坏了3个基因,其成功率达到 10%~25%。受此鼓舞,科学家们随后在 180 多个单细胞期猴胚胎中同时靶向了这3个基因。在对 15 个胚胎的基因组 DNA 进行测序后,他们发现其中有8个胚胎显示出两个靶基因同时突变的迹象。研究人员随后将遗传修饰的胚胎转移到代孕母猴体内,其中一个生出了一对孪生猴。通过测序这对孪生猴的基因组 DNA ,他们证实存在两个靶基因突变: Ppar-γ 帮助调控新陈代谢, Rag1 与健康的免疫功能相关。猴基因编辑的成功将会吸引药物公司的注意,特别是神经科学领域,这有可能让这些公司开展猴疾病模型的药物效果评价,这更接近人类疾病的情况,可以大大降低药物研究的风险。(Cell

揭开Cas9基因组编辑核心谜团

有一种蛋白在细菌免疫系统中起着至关重要的作用,并正快速成为一种很有用的遗传工程工具。来自劳伦斯伯克利国家实验室和加州大学伯克利分校的研究人员确定了这一叫做 Cas9 的细菌酶在病毒感染过程中是如何在 RNA 序列的引导下识别和降解外源 DNA ,以及在动物和植物细胞中诱导位点特异性遗传改变的。通过结合单分子成像和大量的生化试验,该研究小组证实 Cas9 的基因组编辑能力是通过称作为“ PAM ”( protospacer adjacent motif)的短 DNA 序列来实现的。研究揭示了 PAM 的两个主要功能,解释了它对于 Cas9 能够靶向和切割与导向 RNA 相匹配的 DNA 序列如此至关重要的原因。在外源 DNA 的靶向位点附近存在 PAM ,而宿主基因组的这些靶向位点则缺乏 PAM ,使得 Cas9 能够精确区分必须降解的非自身 DNA 和几乎完全相同的自身 DNA 。此外,存在 PAM 也是激活 Cas9 酶的必要条件。本研究利用了一种独特的 DNA 窗帘分析法和全内反射荧光显微术(Total inte RNA l reflection fluorescence microscopy TIRFM),在 Cas9 结合与解读 DNA 之时对单个 Cas9 进行了实时成像。 DNA 窗帘技术提供了前所未有的、关于 Cas9 靶点搜寻过程机制的一些新认识。采用传统的大量生物化学检测验证了成像的结果。(Nature

解析基因组编辑明星Cas9酶的三维结构

Cas9 酶在细菌免疫系统起着关键作用,而作为一种有力的新基因组编辑工具,它引起了科学家们极大的研究热情。来自加州大学伯克利分校(UCB)的研究人员首次在链球菌(Streptococcus pyogenes)和放线菌(Actinomyces naeslundii)中解析了 Cas9 蛋白(SpyCas 和 AnaCas9)的三维晶体结构,获得了两种主要 Cas9 酶的晶体结构,分辨率分别达到了 2.6 和 2.2Å。在催化区域之外,这两种结构差异很大,但 Cas9 家族的成员具有相同的核心结构,这一结构可以裂开两瓣形成钳状。研究人员通过单颗粒电镜向人们展示了Cas9 搭档引导 RNA 与目标 DNA 相互作用的机制,Cas9 蛋白单独存在时处于非活性状态,但与引导 RNA 结合后,它的三维结构会经历剧烈的改变,允许 Cas9 与目标 DNA 结合。这一结果可以帮助人们对 Cas9 酶进行改良,使其更适合基础研究和基因工程。(Science

重要核膜蛋白的作用机制

Stowers医学研究所的研究人员在活细胞中进行观察,向人们展示了重要核膜蛋白的作用机制。Ndc1蛋白非常保守,出现在从酵母到人类的各种生物中。在细胞核膜上,嵌有这种蛋白的地方会形成孔。对于酵母来说,这样的孔会形成两个必要的细胞结构:核孔复合体和纺锤体极体。纺锤体极体负责锚定细胞骨架的纤维,在细胞分裂时将染色体拉到两边。为了确保遗传物质正确分配,每当细胞准备分裂时,就必须建立新的核孔复合体和纺锤体极体。Ndc1蛋白对于细胞的生存至关重要,但由于细胞对于Ndc1的改变过于敏感,例如去除、改变或者增加Ndc1,都会令细胞死亡,如此解析Ndc1的功能特别困难。Sue Jaspersen博士领导的研究团队发现,Ndc1与Mps3蛋白的相互作用,掌管着Ndc1在核膜上的分配。随后,研究团队使用复杂的成像技术(fluorescence cross-correlation microscopy),在活细胞中直接观察了Mps3与Ndc1的相互作用。他们分别给Ndc1和Mps3附上红色和绿色的荧光标签,然后观察这些蛋白在细胞中的移动。这一策略不仅证实了Mps3和Ndc1的相互作用,还允许研究团队追踪了互作发生的位点。研究显示,Mps3和Ndc1一起到达核膜,但它们的互作并不在核孔复合体或者纺锤体极体附近。研究人员推测,Mps3的作用可能是帮助Ndc1到达目的地,对核孔复合体和纺锤体极体的分布进行控制。(Journal of Cell Biology

来源:基因农业网

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