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生物技術前沿一周縱覽(2017年7月7日)

2017-07-07 11:27 | 作者: 基因農業網 | 標簽: 生物技術前沿一周縱覽

 生物技術前沿一周縱覽(201777日)

WTG1是控制水稻的粒厚和粒寬的關鍵基因

 

水稻三最重要的糧食作物之一,而水稻籽的大小及形狀與水稻的產量及品質密切相關。近研究人員發現一個控制水稻的粒厚和粒寬的關鍵基因WTG1 (WIDE AND THICK GRAIN 1)。wtg1-1 突變體的粒寬、粒厚、千粒重以及主穗的穗粒數均增加,粒長變短,而過表達則會使水稻籽粒的粒寬及粒厚降低,粒長增加。WTG1主要是通過影響穎殼細胞的擴展從而控制水稻籽粒的大小和形狀。WTG1編碼一個與人類中的OTUB1同源的Otubain-like蛋白酶,進一步的生化試驗表明WTG1具有去泛素化酶的功能。該研究對進一步利用WTG1改良水稻的籽粒大小、形狀和產量具有十分重要的意義。(The Plant Journal

 

 

組蛋白修飾分工調控基因表達水平和基因表達噪音

 

基因表達過程依賴于轉錄因子、染色質調控因子和染色質等生物大分子在布朗運動過程中的隨機碰撞,因此,即使是基因型和分化類型完全相同的細胞在相同環境下也存在基因表達的差異,被稱為基因表達噪音。研究人員計算分析了人類胚胎的單細胞轉錄組數據,發現多種組蛋白修飾分別調控了基因表達水平和基因表達噪音。富集在啟動子附近的組蛋白修飾,如H3K4甲基化,主要調節基因的平均表達水平;而富集在基因編碼區的組蛋白修飾,如H3K79甲基化,可以降低基因表達噪音,即提高同類細胞間基因表達的一致性。敲除酵母細胞中H3K79甲基化酶,降低了H3K79甲基化修飾水平,同時觀察到靶基因在細胞間的表達差異升高。與以上發現相一致,對基因表達水平敏感的基因(如信號通路中的基因,必須基因,編碼蛋白質復合物的基因)主要受到基因編碼區組蛋白的修飾;而環境響應相關的基因主要富集了啟動子區域的組蛋白修飾。該研究揭示了組蛋白修飾在調控基因表達水平和基因表達噪音上的“分工”,為理解轉錄組進化提供了線索。 (PLOS Computational Biology)

 

 
熱帶森林恢復中植被和土壤碳庫變化研究獲進展

 

熱帶森林是重要植被和土壤碳庫,其土壤碳庫與大氣碳庫相當。研究人員利用站區具有50多年歷史的熱帶森林恢復序列樣地(天然林、次生林、桉樹人工林以及未恢復光裸地),結合站區歷史的土壤監測數據,評估了不同恢復序列樣地中植被碳庫和土壤碳庫的變化。研究結果發現次生林的植被碳庫經歷了50多年的恢復已經與天然林相差不大,而土壤碳庫還有很大差異,僅為天然林的60%左右(0-60 cm)??蒲腥藛T進一步利用土壤碳天然同位素豐度的差異以及土壤碳分組方法,更加詳細地了解了恢復過程中新老碳組分在土壤中的分布特征及其隨恢復過程的變化。結果表明次生林表層土壤碳庫總量盡管和天然林類似,但其難分解的老碳組分遠小于天然林,而且在深層土壤中這一差異更大。此外,該項研究還表明人工林由于經常的人為干擾(砍伐收獲),極大地降低了其土壤固碳能力,與次生林相比,僅為后者的碳庫的一半左右。這一結果表明IPCC用來估計大尺度的熱帶次生林和人工林的土壤固碳量的默認值很大程度上高估了次生林和人工林的土壤碳庫儲量。(Functional Ecology

 

 

農作物鎘污染研究取得新進展

 

農作物鎘(Cd)污染是當前國內外關注的主要問題之一,定量化各環境因子對農作物Cd累積的影響程度對區域Cd污染風險調控至關重要。研究人員從“土壤-土壤溶液-作物吸收”概念出發,通過對湖南攸縣蔬菜和水稻Cd富集水平的長期觀測,揭示了Cd固液分配系數(Kd)和農作物Cd富集因子(PUF)變化特征及其主要影響因子,并結合大田實驗和模型模擬進行驗證和風險評估。研究發現改善土壤酸化和恢復土壤微量元素平衡可顯著降低區域農作物Cd超標概率。(Journal of Agricultural and Food Chemistry

 

 

基因元件設計原則方面取得進展

 

研究人員開發了一套普適于原核生物轉錄調控元件的絕緣化設計原則。該原則通過絕緣化處理消除了基因轉錄過程的核心元件——啟動子(Promoter)和操作子(Operator)之間的功能干涉效應,顯著提高了它們的模塊化屬性和組裝過程可預測性,從而首次在生物基因層面實現了計算機輔助設計和虛擬優化的全過程。該研究成果極大地簡化了人工基因調控網路的設計過程,為人工生命系統的理性設計奠定了重要技術基礎。研究者設計了復雜的非一致性前饋網絡(Incoherent Feed Forward Loop circuit, IFFL),并利用計算機窮舉了所有參數化的啟動子和操作子元件,挑選性能最優的IFFL網絡進行實驗測試,結果顯示最終獲得的基因網絡在性能上超出類似網絡10倍,同時所有的元件組合結果都可以被理論模型所預測。這些結果充分體現了絕緣化設計原則的實用性與普適性。(Nature Communications

 

 

建立新的谷氨酸棒桿菌基因組規模代謝網絡模型

 

谷氨酸棒狀桿菌(Corynebacterium glutamicum),是重要的工業微生物之一,被廣泛應用于氨基酸、有機酸、維生素和生物能源等的工業化生產。研究人員建立了一個新的谷氨酸棒桿菌的基因組規模代謝網絡模型iCW773,其中包含了773個基因,950個代謝產物和1207個生化反應。通過精煉集成反應,平衡反應式中代謝物的電荷和質量,利用吉布斯自由能ΔrG'限定反應方向,該網絡模型能夠準確模擬預測谷氨酸棒桿菌利用不同碳源生長的比生長速率和在以葡萄糖為唯一碳源生長的胞內代謝通量分布;利用OptForcemust算法,分析比較了野生型和高產l-賴氨酸、l-纈氨酸和l-絲氨酸工程菌之間各個網絡代謝節點的代謝通量區間的重合度,所獲得的代謝工程改造靶點及其改造方式與實驗結果完全一致;通過添加異源合成途徑,建立了谷氨酸棒桿菌合成1,2-丙二醇和異丁醇的代謝網絡,發現了有利于1,2-丙二醇和異丁醇合成的新的代謝改造靶點,證明了iCW773用于目標產物的代謝網絡設計的實用性;最后通過干濕法結合,從頭設計并構建了一株l-脯氨酸工程菌,通過發酵罐連續補料發酵,工程菌的l-脯氨酸產量達到66.43 g/L,糖酸轉化率0.26 g/g,生產強度1.11 g/L/h,是目前已報道的在以葡萄糖為唯一碳源的基本培養基中發酵生產l-脯氨酸的最高轉化率和生產強度。該研究所構建的基因組規模代謝網絡模型能夠提供一個高效的研究預測平臺,有利于在系統生物學水平加深對谷氨酸棒桿菌的代謝網絡的理解,為利用該菌作為細胞工廠合成具有不同代謝途徑化合物提供了一種高效的技術工具,并為一些生物基化學品的人工合成網絡的設計改造奠定了研究基礎。(Biotechnology for Biofuels

 

 大麻素受體的結構生物學研究獲重要成果

 

G蛋白偶聯受體(G protein-coupled receptor, GPCRGPCR是人體內最大的細胞膜表面受體家族,在細胞信號轉導過程中發揮核心作用。研究人員基于THC,設計和篩選了一系列特異性高、結合力強的激動劑小分子。經過多輪蛋白純化及結晶條件篩選和優化后,成功解析了CB1與兩種新型激動劑小分子AM11542AM841的三維精細結構。該結構不僅揭示了激動劑小分子與CB1的相互作用模式,更重要的是,與之前解析的CB1與拮抗劑小分子復合物結構相比發生了很大的構象變化。其中結合口袋體積的變化53%(激動劑的結合口袋體積:3833,拮抗劑的結合口袋體積:8213,1= 10-10米)以及受體的整體結構變化包括蛋白的N端以及七次跨膜螺旋的構象的顯著變化(RMSD (均方根偏差)為3.5埃)是在以往解析的GPCR結構中變化最大的。這些結構特征也從分子水平解釋了為什么大麻素受體CB1可以與多種不同類型的配體相互作用,參與和調控人體中多種非常重要的生理活動,同時也為今后針對GPCR的藥物設計提供了新的思路。(Nature 

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