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生物技術前沿一周縱覽(2014年1月10日)

2014-07-02 22:25 | 作者: 基因農業網 | 標簽: 生物技術前沿一周縱覽

維生素C提高體細胞轉化為iPSC效率的機制

中科院廣州生物醫藥與健康研究所的裴端卿課題組發現并破解了維生素C促進體細胞“變身”為誘導多能干細胞(iPSC)的分子障礙。干細胞具有在體外大量增殖和分化為多種細胞的潛能,可為再生醫學的替代療法提供充足的細胞來源。iPS細胞具有和胚胎干細胞類似的功能,卻繞開了胚胎干細胞研究一直面臨的倫理和法律等諸多障礙,因此在醫療領域的應用前景非常廣闊。然而病毒載體及原癌基因的應用使iPS的安全性受到質疑,而且iPS的誘導效率也有待進一步提高。因此科學家們一直致力于尋找新的方法來減少轉錄因子的數量、避免轉錄因子的整合并提高的重編程效率。2009年,裴端卿課題組發現維生素C可以大大提高體細胞轉化為iPSC的效率,從原來的萬分之一提高到10%。為了探索這一現象背后的分子機理,兩年多來,該團隊進行了大量的基礎研究。借助于系統的芯片技術、細胞生物學、分子生物學與表觀遺傳學等生物技術與手段,他們發現了制約體細胞“變身”的分子障礙,組蛋白H3K36me2/3。研究人員證實維生素C可通過Jhdm1a/1b誘導H3K36me2/3脫甲基化促進體細胞重編程。維生素C和Jhdm1b協同作用可促進細胞增殖,抑制細胞衰老。研究發現未經處理的成纖維細胞在體外傳代到第6代時已老化至幾乎不能再變身為多能干細胞;但轉導Jhdm1b并在培養基中添加維生素C后,成纖維細胞在體外傳代至第6代甚至第12代時還沒有表現出衰老的表型,能保持與原代細胞一樣的特性,維持重編程效率。該研究成果為闡明體細胞重編程的分子機制提供了重要的研究數據,是人們試圖從分子水平上理解細胞重編程機理的一個里程碑式的發現,對于細胞和再生醫學研究具有廣泛和深遠的意義。(Cell Stem Cell

新方法可批量制備用于表觀遺傳學研究的重組抗體

科學家找到一種用于研究基因組調控的高質量重組抗體的制備方法。該方法可用于解決“抗體瓶頸”問題,即,目前用于檢測基因表達調控蛋白的抗體都不可再生且無法特異識別目標。能夠調控基因表達的不僅僅是組成DNA的四種堿基,與DNA有關的蛋白特別是組蛋白也參與調控。這些組蛋白的化學修飾,如,在某種特定氨基酸中引入甲基等,可影響該DNA中編碼的基因能否表達。研究人員依賴于抗體來識別這些組蛋白受到的特定修飾以了解其對基因組調控的影響。但目前的挑戰在于,這些抗體大多經過不同批次從動物體內產生獲得,而每批次之間存在著較大的質量變,一旦某批次質量好的抗體用完,下一批次的質量不確定能夠達到之前的標準。Shohei Koide等人放棄通過動物進行抗體生產,轉而利用遺傳手段在細菌體內制造具有高識別度的重組抗體以用于組蛋白的特定修飾。通過與市場上用動物制成的抗體相比較,這種新抗體的表現更佳,質量完全不受批次時間影響。這種抗體制備方法還能開發出經過一種以上化學修飾的抗體,可幫助破解如相鄰甲基基團或其他表觀遺傳修飾的組合是如何影響基因表達等相關問題。(Nature Methods

瘧原蟲青蒿素抗藥性的分子標記

青蒿素取自傳統中藥青蒿(Artemisia annua),青蒿素藥物與其他瘧疾藥物聯合使用,通常能夠在兩天內,將瘧原蟲(Plasmodium falciparum)清除出人體血液。但上個世紀,部分區域逐漸出現了完全不受青蒿素影響的瘧原蟲抗性株。青蒿素抗藥性在所分離出的東南亞瘧疾病原體“鐮刀形瘧原蟲”中的傳播,可能會葬送為在全世界根除這種疾病所作努力。監測抗藥性這一重要工作一直受阻于缺少一個分子標記。法國巴斯德研究所的研究人員在新研究中識別出“鐮刀形瘧原蟲”青蒿素抗藥性的一個主要決定因子。他們發現,該寄生蟲的PF3D7_1343700 kelch propeller domain (K-13 propeller)中發生的等位基因突變頻率增加與最近的抗藥性傳播有關。與在2001年和2012年間收集的樣本所作比較顯示,與抗藥性的傳播相一致的是,該標記的頻率也增加了。K13蛋白在瘧原蟲中的功能還未知,青蒿素的作用方式以及該突變是如何造成藥物抗性的還有待研究。但這些發現除了提出一個有用的標記外,還有可能加深我們對抗藥性怎樣形成的認識,同時為在尋找新型抗瘧疾藥物中怎樣繞過抗藥性提供思路。(Nature

促進腸道固有菌群的互利抗菌機制

人體的上皮細胞通過各種抗菌蛋白的保護,能夠與復雜的細菌群落密切共存。C-型外源凝集素RegIII蛋白家族是由與外部環境中的細菌直接接觸的器官分泌的殺菌性蛋白,限制細菌和腸上皮細胞間的直接接觸,從而促進腸道對菌群的耐受性。凝集素RegIII蛋白家族通過結合肽carbohydrate1,3識別目標細菌,而它們殺死細菌的機制尚不清楚。這項研究闡明了RegIII蛋白家族的殺菌基礎。RegIIIα(也稱為HIP / PAP )是這一蛋白家族的一員,可結合細胞膜磷脂,并通過形成六聚體低聚物孔隙使膜透化而殺死細菌。脂多糖抑制RegIIIα孔隙形成活動,因此RegIIIα只能夠殺死革蘭氏陽性菌,對革蘭氏陰性菌不起作用。結果顯示C型凝集素是粘膜免疫系統中的介質,該項研究能夠幫助深入了解促進固有菌群的互利抗菌機制。(Nature

評估熒光蛋白的光激活效率

ICFO的科學家們首次在單分子水平上,確定了多個熒光蛋白的光激活效率,這一參數對于單分子計數非常重要。光控的熒光探針,是對局部進行超高分辨率顯微分析的核心。其中,熒光蛋白可以通過基因編碼,實現與目的蛋白的1:1標記。所以,熒光蛋白探針特別適合于單分子計數。有時,蛋白必須以“寡聚體”形式行使功能,而某些蛋白的“寡聚化”會引發疾病。因此,在納米尺度上分析蛋白的組織形式,是理解蛋白功能的基礎,有助于展現正常細胞和患病細胞之間的差異。許多研究者致力于對蛋白進行分子定量,監控單體、二聚體和多聚體蛋白之間的平衡。Melike Lakadamyali博士領導研究團隊用爪蟾卵母細胞表達的人類甘氨酸受體作為納米模板,對多種熒光蛋白進行分析,確定了被光激活的蛋白比率。“分子計數”的實現,依賴于光激活的熒光蛋白,以及超高分辨率的顯微鏡。如果一部分探針光激活失敗,就無法出現在圖像上,導致計數時遺漏部分數據。研究人員在光激活效率和一些其他因素(如熒光閃爍)的基礎上,確定了最適合進行分子計數的熒光蛋白。將光激活效率納入考慮,對于正確解讀定量信息非常重要。目前人們只能用不完美的熒光蛋白進行研究,同時在定量蛋白時注意這種限制。該研究開發了鑒定光激活效率的可靠方法,日后在設計熒光蛋白時,可以通過這種方法優化參數,生成更適合超高分辨率分子計數的探針。(Nature Methods

葉酸缺乏導致小鼠精子DNA變化

終生采用一種缺乏葉酸的飲食結構的雄性小鼠,其精子DNA會發生表觀遺傳改變,即DNA被化學基團改變。在一些情況下,這些小鼠會生出有顱面缺陷和脊椎畸形等發育異常的后代。這項工作讓我們對造成發育缺陷的可能的父方途徑有了新認識。表觀遺傳DNA改變(如DNA甲基化)會改變基因活性,但不影響DNA的序列。以前的研究工作表明,飲食中的葉酸會影響細胞DNA甲基化水平和基因表達,另外父方的飲食還會改變后代的代謝。Sarah Kimmins和她的團隊給雄性小鼠終生喂食缺乏葉酸的食物,發現這導致雄性小鼠精子DNA的甲基化發生改變和生育能力降低。而且,這些雄性小鼠的雄性和雌性后代產生發育異常的頻率都要比采用正常飲食的雄性小鼠的后代高。但目前的研究對表觀遺傳傳遞的機制還不清楚,因而造成發育缺陷的分子水平的原因尚待研究。(Nature Communications

揭秘細菌的耐受基因

細菌的耐藥性現象在上世紀四十年代就被人們發現,一群細菌中總有那么一兩個,能夠在抗生素的攻擊下生存下來。細菌耐藥性依賴于細胞的休眠,這一點與抗生素抗性并不相同,抗生素抗性是指細胞發生遺傳學改變而對特定藥物不敏感??茖W家們發現,細菌的一個基因能夠關閉自身的蛋白合成進入休眠狀態,以便逃過抗生素的攻擊。細菌在休眠時會關閉正常的細胞功能,使抗生素喪失攻擊目標,因為抗生素一般攻擊活躍的過程(例如翻譯或者轉錄)。能夠耐藥的細菌一般擁有一對作用相反的蛋白——毒素和抗毒素。毒素會強迫細胞進入休眠狀態,而抗毒素能逆轉這種作用令細胞蘇醒。HipA是首個在E. coli里鑒定到的毒素基因,它能夠中止細菌的復制、轉錄和翻譯過程。Zenkin及其同事讓細菌過表達多種基因,以尋找那些能夠對抗HipA的基因。他們發現,即使在HipA存在的情況下,過表達gltx基因的細菌仍能很好地生長。研究顯示,該基因的產物是谷氨酰tRNA合成酶(GltX),這種酶對于蛋白合成非常重要。在蛋白的翻譯過程中,GltX負責將谷氨酸添加到tRNA。HipA過表達會導致GltX磷酸化,阻止它給tRNA添加氨基酸,使蛋白合成慢慢停止。GltX不僅和EF-Tu一樣能中止翻譯過程,還能夠阻斷轉錄和復制。當GltX被HipA磷酸化時,空載的tRNA阻塞了核糖體,而核糖體負責在蛋白合成過程中轉運氨基酸。這種tRNA造成的交通堵塞,會刺激細胞生成一種信號素(p)ppGpp。這一信號可以觸發一系列級聯事件,關閉細胞中的所有基礎過程(例如復制、轉錄),使細胞進入休眠狀態。為了驗證這一點,研究人員去除了參與信號素合成的蛋白,發現這一措施的確能顯著降低細菌的耐受性。這一研究揭示了細菌的耐受性機制,但并沒有提出抗生素的有效靶標。問題在于E. coli有十二種毒素,甚至可能更多,要解決細菌的耐受性,需要讓它們全部失活,這對打破耐藥性提出了挑戰。(Molecular Cell

發育過程中基因表達的變化

影響基因表達水平的多態性在很多物種中已通過“表達量化性狀位點” (eQTL) 分析方法被發現。這項研究集中在一個12小時的時段中對線蟲發育進行研究,讓我們第一次全面地看到了這些多態性在發育過程中是怎樣影響基因表達的動態的。順式和反式eQTL都能增加和降低基因表達,具體情況取決于所分析的時間點,同時反式eQTL在一個給定的發育時段還能起表達的修飾因子的作用。這項研究中所建立的方法有望用來研究其他動態過程,如生理和疾病發展。(Nature

研究發現導致奶牛繁殖力下降的重要突變

科學家們發現,一段660Kb的基因序列缺失,對奶牛產奶量有促進作用,但是卻導致奶牛胚胎的死亡。該段包含4個基因的序列缺失,是一種隱性的胚胎致死突變。這種致死突變,是馴養牛繁殖力衰退的一個不可忽視的原因。這項發現可以幫助解釋奶牛育種中的一個兩難境地:繁殖力和產奶量之間的負相關性?;谝恢币詠淼挠嗅槍π缘挠N項目和現代育種方法,Scandinavian奶牛的產奶朝著增加產奶量的單一目標發展。在北歐國家,盡管重心放在育種目標上,但是在繁殖力上卻幾乎沒有獲得改進?,F在看來,產奶量和繁殖力之間的這種不利關系,部分受到一段簡單基因序列缺失的影響。丹麥奧胡斯大學、比利時列日大學、芬蘭MTT農產品研究的科學家們,與北歐牛遺傳評定(Nordic Cattle Genetic Evaluation)合作,發現了這種突變的存在及其影響。普遍認為的繁殖力的下降主要是由于高產奶牛在其哺乳高峰時的能量負平衡引起有了新的遺傳學解釋。這種隱性的胚胎致死突變意味著小牛還是胚胎的時候會死去和流產,或者被報告為授精失敗。通過正在進行的基因組選擇程序,定期識別攜帶這種基因缺失的公牛,通過避免攜帶突變的公牛和母牛之間的交配,這種方法使得在北歐Red奶牛品種中獲得繁殖力提高的巨大突破?;蛐蛄腥笔б鸬呐咛ニ劳雎?,已經變得比較普遍,其原因是這種缺失對產奶量具有這樣強烈的積極作用。通過選擇高的產奶量,育種者也不經意地選擇胚胎死亡率,即出現育種上的搭便車的情況。該項研究表明,胚胎致死突變,是馴養牛繁殖力衰退的一個不可忽視的原因,其對產奶量的相關積極影響,可能是遺傳負相關性的部分原因。在家畜中,這至少是“平衡選擇在高頻率上保持隱性有害等位基因”的第七個例子。(PLOS Genetics

來源:基因農業網

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