生物技术前沿一周纵览(2014年2月21日)

2014-02-21 | 作者: | 标签: 生物技术前沿一周纵览


英国科学家研发出抗病害产量高的转基因土豆

马铃薯晚疫病(Phytophthora infestans)由一种喜爱潮湿环境的致病真菌引起,患病作物的叶子和根茎均会腐烂。该病曾在19世纪导致爱尔兰大面积马铃薯绝收,爱尔兰人口锐减近四分之一。欧洲农民为预防这种病害,需要在土豆生长季中喷洒十余次农药。据估算,这一病害目前仍给全球农业造成不小的损失。英国塞恩斯伯里实验室等机构的研究人员研发出了一种转基因土豆,不仅可以抵御这种病害,且产量更高。他们从南美洲一种野生土豆中获取一种基因,将其植入欧洲地区常种植的土豆品种中,这种基因可成功启动土豆抵御晚疫病的天然机制。此外,这种转基因土豆的产量也比普通品种更高。野生土豆的基因要进入常见的种植土豆中,通过自然进化要十分漫长的时间,而通过基因技术防治病虫害比使用农药等方法要好得多。(Philosophical Transactions B

世界首例ROSA26基因打靶猪模型诞生

来自中国和美国的研究人员合作获得了世界首例ROSA26定点基因敲入猪模型。利用该模型猪,研究人员成功地实现重组酶介导的基因交换,从而解决了一直困扰转基因猪研究领域的效率低下、表型不确定的问题,为揭示和人类干细胞相关的疾病机理和实施干细胞治疗提供了宝贵的大动物实验依据。该研究团队首先在猪基因组中找到了一个特殊基因位点ROSA26,处在这个位点后的基因会广泛表达于所有组织和细胞中。在过去的20年中,通过对小鼠ROSA26基因位点的修饰,获得了一系列ROSA26小鼠模型,并在发育生物学以及干细胞研究中发挥了巨大的作用,目前该位点仅在人胚胎干细胞和大鼠中被鉴定和修饰,尚未在大动物中发现及应用。研究人员利用TALEN介导的基因敲入技术,成功地构建了世界上第一个ROSA26定点敲入Cre重组酶报告基因的大动物模型。该动物模型可在猪体内世系追踪各类干细胞的分化和再生。在此基础上,研究人员在ROSA26位点引入一对异源loxp位点,经重组酶介导的基因交换,成功将EGFP基因替换为红色荧光蛋白tdTomato基因,由此又获得了世界上第一个重组酶介导的基因交换大动物模型。利用该模型,研究人员可将任意基因通过重组酶介导的基因交换插入ROSA26位点,实现目的基因在大动物所有组织中的无差异表达。同时,由于重组酶介导的基因交换无需药物筛选即可获得,从而使获得的转基因猪不携带外源的药物抗性基因,可去除转基因猪农产品的生物安全和食品安全隐患。(Cell Reaearch

蜜蜂病传染大黄蜂,作物授粉效率受影响

高效授粉对于粮食生产和生态系统可持续发展来说都至关重要,有证据表明新出现的传染病造成一些重要昆虫授粉者种群数量下降。这项研究结合实验室感染实验和野外研究显示了两个严重的蜜蜂(Apis mellifera)病原体对于一种野生授粉昆虫“大黄蜂”(Bombus terrestris)的感染能力。来自英国各地的数据显示,“变形翅膀病毒”(DWV)和微孢子虫寄生虫Nosema ceranae 在两种类型的授粉者中存在“共局部化”现象,蜜蜂病对大黄蜂也有传染性。这项工作表明,野生授粉者种群可能面临风险,而且与人工管理的蜜蜂种群不同的是,它们没有因为养蜂人采取干预措施而受到保护。野生授粉者的这种损失会显著降低作物授粉效率。(Nature

一种Tet-样蛋白的结构研究

Tet家族的加双氧酶将5-甲基胞嘧啶(5mC)转化成5-羟甲基胞嘧啶(5hmC)、5-甲酰基胞嘧啶(5fC)和5-羧基胞嘧啶(5caC)。在这项研究中,研究人员从结构上和生化上定性分析了来自阿米巴鞭毛体Naegleria gruberi的Tet-样蛋白。Naegleria Tet-样蛋白(NgTet1)与哺乳动物Tet蛋白的序列相似性大约为39%,同时也具有相似的生化活性。与含有一个甲基化的CpG点的DNA形成复合物的NgTet1的晶体结构显示,NgTet1利用一个碱基翻转机制来接触5mC。(Nature

“卫星细胞”与肌肉衰老

对成年哺乳动物干细胞的功能来说至关重要的特性之一是,长时间保持静止状态的能力以及需要再生时做出反应的能力。骨骼肌数量及功能的损失是人类晚年衰老的共同特征,与被称为“卫星细胞”的骨骼肌干细胞的再生能力的丧失有关。研究者发现,衰老中的“卫星细胞”发生从静止状态向衰老前状态的不可逆转变,这与已被发现是衰老的一个标志的肿瘤抑制蛋白p16INK4a的表达水平增加有关。成年期间p16INK4a的抑制被发现能将“卫星细胞”保持在一个可逆的静止状态,使肌肉能够再生;p16INK4a在老年人的“卫星细胞”中失调,肌肉再生潜力丧失。(Nature

CRISPR/ Cas系统修饰基因在植物中获得稳定遗传

近年来,CRISPR/ Cas系统一跃成为了在包括植物在内的许多生物体中实现靶向基因编辑的一种强有力的工具。然而,所有有关植物的研究报道都将焦点放在非稳定系统或是稳定转入CRISPR/Cas系统的第一代植物上。来自中国科学院上海生命科学研究院的研究人员在拟南芥中,对CRISPR/ Cas系统诱导的基因修饰的遗传度、特异性及模式进行了多代分析。结果表明T1、T2和T3代植物携带突变(嵌合突变、杂合突变、双等位基因突变或纯合突变)的比例分别为71.2%、58.3%和79.4%。CRISPR/Cas诱导的突变大部分为1 bp的插入和短缺失。T1代植物中所检测到的基因修饰主要发生在体细胞,因此没有任何的T1代植物因基因修饰事件成为纯合子植株。相比之下,有22%的T2代植物因基因修饰成为纯合子植株。所有纯合子均稳定地传递至下一代,其靶位点没有发生任何新的修饰。此外,通过检测靶位点以及与靶位点高度同源的序列,并进行深度全基因组测序,研究人员未发现任何的脱靶突变迹象。结果表明,CRISPR/Cas系统是在植物中生成靶基因特异性的、灵活的、可遗传修饰的一种有用工具。(PNAS

基因决定植物叶片的独特形状


每种植物都具有一种独特的叶片形状,即使相同科的植物叶片形状也有差异。关于“叶片会是什么形状”的信息被储存在 DNA 中。德国 Max Planck 植物育种研究所的研究人员在比较十字花科两种植物时发现了一个新基因RCO ((REDUCED COMPLEXITY),碎米荠(Cardamine hirsuta)的全裂叶形状归因于该基因。这个同源框基因能够抑制小裂叶之间的细胞增殖和生长,使它们相互分离。拟南芥(Arabidopsis thaliana)没有这个基因,因此,它的叶片不是全裂叶,而是简单完整的叶片形状。此外, RCO 功能仅限于叶片形状;它并不能决定叶片是否形成。在碎米荠中, RCO 基因缺失并不会产生任何其他可见的变化。因此,其效果仅限于对叶缘的生长抑制作用。并且,RCO 并没有对植物激素生长素(auxin)产生影响。这种特殊性使 RCO 相比较迄今确定的其他基因,更可能是叶片形状进化的驱动力。为查明RCO 促进叶片复杂性的新功能是如何出现的,研究人员还研究了含 RCO 的基因簇中另外两个基因,这两个基因通过一个前体基因的复制,出现在进化过程中。(Science

动物神经毒素起源和蛋白质功能进化取得新进展

蝎毒素和昆虫防御素共享保守的空间结构和相关的生物学活性。两者通过破坏靶标生物的细胞膜结构实现捕食和防御,为研究保守的结构支架进化新的生物学功能提供了理想的模型。为了在实验室条件下实现从昆虫防御素到神经毒素的转换,研究人员尝试从寻找连接蝎毒素和昆虫防御素的进化中间体入手。首先建立了识别蝎毒素家族的分子图谱,然后,利用计算生物学方法分析了6个昆虫目的防御素分子,发现两个有毒目昆虫(膜翅目和半翅目)的部分防御素拥有蝎毒素的分子图谱。为了鉴定这些潜在进化中间体的结构和功能,研究人员选择了丽蝇蛹集金小蜂的防御素 Navidefensin2-2开展了实验性进化研究。发现实验删除Navidefensin2-2的一个氨基端环区可以消除防御素-通道间相互作用的空间位阻,进化成高亲和力靶向K+通道的神经毒素(命名为Navitoxin)。进一步的核磁共振分析表明这种昆虫防御素衍生的毒素呈现典型的半胱氨酸稳定的α螺旋和β-折叠片层的蝎毒素的空间结构。突变两个定位于分子图谱的关键氨基酸残基完全消除或显著降低了Navitoxin对通道的结合,表明该分子和蝎毒素采取相似的K+通道结合模式。这些结果首次证实有毒动物神经毒素起源的可预见性。该策略也首次用实验方法建立了两个远缘相关蛋白家族的进化关系,为进化指导的毒素类药物设计提供了新的思路。(Molecular Biology and Evolution

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