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生物技術前沿一周縱覽(2014年2月14日)

2014-07-02 22:11 | 作者: 基因農業網 | 標簽: 生物技術前沿一周縱覽

植物基因組的保守和擴大

被子植物(即開花植物)是主要的作物植物,并且在碳匯中具有至關重要的作用。因此,對它們的起源進行分析,將為我們提供關于這些作用起源的重要線索。研究發現,無油樟科是所有其他現存開花植物的姊妹種系的單一生物物種,科學家建立了一種針對具有大型且復雜基因組的非模式物種的新的測序和組裝流水線策略。對無油樟基因組的測序詮釋了無油樟科的核序列,將無油樟科核基因組與22種陸生植物基因組進行比較,鑒別出超過1000個最初出現在被子植物中的基因,這些基因很可能與被子植物的起源有關。許多與開花有關的基因早于被子植物的起源時間,從而意味著這些基因能夠增進似花的功能。無油樟科的3.9Mb的線粒體基因組,比許多細菌基因組都大。作為水平基因轉移的一個結果,它包含了從綠藻、苔蘚和其他被子植物獲得的6個線粒體基因組的基因。水平基因轉移的這一規模包括4種之前未曾發現的全基因組轉移。隨著外來DNA中獲得如此大的延伸,并完全來自綠色植物的線粒體,作者認為轉移發生在于捕獲整個線粒體,緊隨線粒體融合之后。無油樟科獨一無二的進化位置將提供許多開花植物進化的信息。而水平基因轉移也提出了許多關于線粒體基因轉移機制和線粒體融合進化的新問題。(Nature Reviews Genetics)

葫蘆在新大陸的起源

一項研究發現,哥倫布之前時代的馴化葫蘆(Lagenaria siceraria)在1萬到1.1萬年前很可能通過洋流從非洲到達了新大陸。此前的研究提出,葫蘆可能隨著新大陸的首批定居者跨過了白令海峽。但是北極的氣候很可能對于熱帶葫蘆而言太惡劣而使它們無法忍受這一旅程。研究人員分析了考古葫蘆樣本和活葫蘆樣本的DNA,結果發現哥倫布之前時代美洲的葫蘆源于非洲葫蘆,而不是此前認為的源于亞洲葫蘆。洋流漂流模型表明在晚更新世期間的洋流可能用不到1年的旅行時間把葫蘆從非洲帶到了南美洲,這足以讓種子發芽并且在到達陸地之后生長。葫蘆可能一直是通過大型哺乳類動物在美洲大陸傳播的,然后被人類馴化。這組作者說,這些結果提示葫蘆的馴化是在跨大洲的傳播之后出現的地理擴散事件,而不是在其到達新大陸之前的一個單一事件。(PNAS

演化:農耕對雨林狩獵-集采者的影響

距今大約5000年前,農耕在非洲中西部的出現,引發了農業和定居生活方式在整個撒哈拉以南非洲地區的傳播。然而,一些雨林狩獵-集采者人群仍繼續以流動部落形式生活,農業文化和技術的擴散對雨林狩獵-集采者的人口歷史的影響目前在很大程度上仍不清楚??茖W家從整個撒哈拉以南非洲地區的現代雨林狩獵-集采者和農耕者那里采集、生成了全基因組范圍的單核苷酸多態性數據,以此來研究這些人群之間的遺傳多樣性和演化關系。他們發現,這兩個人群之間的基因流動只是在過去1000年才出現,說明這兩個人群之間最初的互動僅限于社會-經濟思想如工具及植物栽培技術等的交流。這些基因組特征進一步表明,非洲農耕人群的擴大是在農業出現之前發生的,因此不能被歸因于后者。該研究為了解農耕對這些人群的社會影響提供了線索,同時也突顯了最近發生在這兩個人群之間的基因交換。(Nature Communications)

科學家繪制受氣候變化影響的物種地圖

一個國際研究小組繪制出了氣候變化對物種影響的地圖。該研究小組由來自澳大利亞、加拿大、英國、美國、德國、西班牙等國的18位科學家組成。他們通過分析1960-2009年期間海面和陸地溫度數據,并對未來氣候變化進行評估,用地圖方式顯示出未來氣候變化的速度、方向,以及氣候變化對生態多樣性的影響。由于氣候變化仍在持續,動、植物需要適應變化,甚或通過遷移以尋找適宜的氣候。研究結果顯示,澳大利亞在經歷氣候變暖。在陸地,已有很多生物開始向更高海拔或更高緯度地區遷移。但也有一些物種無法長距離移動或根本無法移動。而海水的變暖和不斷增強的東澳洋流也在改變著海洋生物的生存環境。原本“足跡”最南只達新南威爾士南部海域的長刺海膽如今也出現在塔斯馬尼亞州附近海域,導致那里的海藻林大面積消失,對當地的巖龍蝦養殖業造成嚴重影響。面對前所未有的氣候變化、以及已經被過度索取的地球,人們需要迅速采取行動,盡可能地保護地球生物資源在氣候變化中得以幸存。這一研究成果將為保護動、植物提供重要信息。(Nature

海洋微生物的化學多樣性

來自細菌的幾乎所有藥物和候選藥物,都是由少數幾組代謝豐富的生物產生的。這使得那些占絕大多數的、不能培養或沒有培養出的微生物成為一個基本上未被開發利用的資源。Jörn Piel及同事在本文中報告,他們利用單細胞和元基因組分析識別出兩個潛在的“環境工廠”,二者都是候選屬Entotheonella的成員,是化學物質豐富的海綿Theonella swinhoei的共生體。重要的是,他們發現,兩種微生物的基因組都編碼多個截然不同的生物合成基因簇,這些基因簇一起可解釋過去被認為是由海綿寄主生成的生物活性聚酮化合物和肽的大多數。這一發現將Entotheonella和新提出的Tectomicrobia門的成員確定為與放線菌相當的一個“有生化才能的”(biochemically talented)門。(Nature)

毒性較小抗生素的合成

氨基糖甙抗生素通過與細菌的核糖體(細胞內制造蛋白質的必要機器)結合來攻擊它們。然而,人類細胞也含有它們自己的核糖體,與這些人類核糖體的零星“脫靶”結合導致在一些患者身上產生不良副作用。研究人員對現有的氨基糖甙進行了改性,發現這樣所產生的化合物與常用氨基糖甙相比對培養的人類細胞毒性較小。而且,這些新的化合物在用于針對被感染的小鼠體內能致病的金黃色葡萄球菌時還保留了抗生素活性。更低的毒性與針對細菌核糖體的更高選擇性和針對人類核糖體的更低活性相關。這項工作代表著朝研發毒性較小氨基糖甙抗生素的方向所邁出的重要一步。(Nature Communications

天然植物化合物防止小鼠AD記憶力減退

最新研究發現在水果和蔬菜比如草莓以及黃瓜中發現一種化學物似乎能夠防止阿爾茨海默氏病小鼠的記憶力減退。這種物質是一種叫做非瑟酮的黃酮醇,每天服用可以防止進行性記憶力和學習障礙,且并沒有改變大腦中淀粉樣蛋白斑。前期研究已證實非瑟酮有助于保護神經元。研究人員利用分離的細胞培養和小鼠開展研究,探討化合物如何對大腦中細胞具有抗氧化劑和抗炎作用。研究發現,非瑟酮可以開啟記憶相關的細胞途徑。非瑟酮具有多個特性,當涉及到阿爾茨海默氏癥可能是有益的。以阿爾茨海默氏癥雙基因突變的小鼠為實驗動物,研究人員自小鼠三個月大時開始向它們的食物中增加非瑟酮。隨著小鼠的成長,研究人員以水迷宮測試他們的記憶和學習能力。九個月齡時,沒有收到非瑟酮的小鼠開始在迷宮中進行更差。得到每日劑量化合物的老鼠在九個月及一歲,與正常小鼠相比沒有明顯差異。對小鼠大腦中不同分子水平的檢測結果顯示,未治療的阿爾茨海默氏癥小鼠中,參與細胞炎癥信號通路被打開,而采取了非瑟酮治療的動物,這些信號通路被阻礙,或抗炎分子發揮作用。 當非瑟酮被治療時,一個特定的蛋白質P35由于裂解被阻斷。p35的剪切與開啟和阻斷多個分子途徑有關。(Aging Cell)

新型禽流感H10N8病毒

中國疾病預防控制中心、江西省疾控中心等機構的研究人員對新型H10N8禽流感病毒造成的首例死亡病例進行了分析,認為這種新型病毒混有其他禽流感病毒的基因,目前還沒有證據表明其是否會流行蔓延或人際傳播。研究人員通過基因測序、氣管吸入樣本檢測等手段對這種病毒進行了詳細研究。結果發現,它與2007年和2012年在水樣和活禽身上發現的H10N8病毒并不完全相同。這種新型病毒從H9N2禽流感病毒中獲取了6種基因并重組,可對人類肺部深層組織造成感染,進而在人體內迅速復制。新型H10N8病毒最早來源于野生鳥類,通過感染家禽最終傳染給人。最近一例確診感染新型H10N8禽流感病毒患者曾去過集貿市場。目前掌握的信息還不足以判斷H10N8病毒引發大流行的能力,不能排除還會有人感染這種病毒的可能性。此外,這種病毒在禽類中不會引發明顯感染癥狀,因此更需加強監控。(The Lancet)

蜜蜂的飛行高度

雖然聽起來不可置信,但蜜蜂的飛行高度可以輕松達到8000米以上。美國懷俄明大學和加利福尼亞大學伯克利分校的動物學家發現,蜜蜂通過更大幅度地撲扇翅膀實現這一目標,并已經在實驗室證明了這一點。研究人員相信蜜蜂的這個技能可以幫助它們躲避其他地方的捕食者。研究人員捕獲了中國四川地區3250米海拔高度飼養的五只雄性大黃蜂,把它們放在玻璃房中。一旦它們扇動翅膀往上飛,通過一個手動泵玻璃房中的氣壓就會模擬外界500米高度間隔條件出現下降。結果顯示,五只大黃蜂都能在相當于7400米高度的氣壓下飛行,其中3只能在8000米以上高度飛行,另外兩只的飛行高度甚至超過了9000米。研究人員觀察到大黃蜂并沒有改變它們的振翅頻率,而是加大了振翅幅度,這意味著向下推動更多的空氣分子。(Biology Letters

果蠅信息素與性行為

一項研究提示,果蠅信息素的進化很可能讓雄性利用了其他雄性預先存在的感覺偏差,從而表現出競爭配偶的性狀,但是人們尚不清楚這些性特征是如何出現并且進化的。研究人員研究了一種稱為CH503的信息素的進化起源,這種信息素是由雄性果蠅分泌的,在交配時轉移給雌性,而后阻止了其他雄性向這些雌性求偶。研究發現,只有屬于黑腹果蠅亞群的雄性果蠅才會分泌CH503,這提示這種信息素起源于這個亞群。然而,來自屬于各種亞群的其它果蠅物種的雄性也對CH503做出反應,而且對于這種抗性欲物質敏感,盡管它們自己不制造這種信息素。此外,CH503在黑腹果蠅亞群中抑制求偶行為的效果比其在其他類型的雄性果蠅中的效果要差,這提示產生CH503的雄性可能已經進化得對性抑制信息素不那么敏感了。綜合起來,這些發現揭示了一種通過進化而賦予雄性交配優勢的性狀,而這一性狀反過來又是如何在這些雄性中驅動了感覺適應的進化的。(PNAS

新細胞打印技術BloC Printing

美國休斯頓衛理公會研究院的研究人員開發出一種可將活細胞打印到任何表面和幾乎任何形狀上的技術,且整個過程中幾乎所有的細胞仍能存活。這種方法在半個小時內可產生2D細胞陣列,打印出的細胞緊密到接近5微米(大多數動物細胞在10-30微米寬),并允許使用許多不同類型的細胞。研究人員將這種技術命名為批量細胞打?。˙loC打?。?。噴墨打印方法打印二維和三維細胞已基本成功,但有時只有一半細胞在打印過程中存活。而BloC打印,接近100%的打印細胞仍是活著的。BloC打印通過操縱微流體引導活細胞進入在硅膠模具里的鉤狀陷阱。細胞流沿著模具的一列,越過被困的細胞到下一個可用的槽隙,最終建立一行細胞單元,形成網格線。在模具的創建過程中,陷阱的位置和間距,以及由細胞通行形成的通道形狀可自行配置。當模具被移走后,活的細胞留下,附著在生長介質或其他基質上按規定形成。該研究小組通過癌變細胞和神經細胞對BloC打印進行了測試。實驗證實該技術可能有助于早期診斷癌癥,并可能有助于理解阿爾茨海默氏病和其他神經退行性疾病。BloC打印可以與許多類型的藥物篩選、RNA干擾以及分子細胞相互作用研究的分子打印相結合。這項技術未來具有很大潛力。不過,雖然這種打印的細胞存活率很高,噴墨打印仍然是比較快的,并且BloC打印還不能像噴墨打印一樣可打印出多層結構。(PNAS

利用CRISPR/Cas9技術構建基因工程猴

來自中國的研究人員報告稱獲得了第一批攜帶定向突變的基因工程猴,這一成果為構建出更現實的人類疾病研究模型奠定了基礎。轉基因小鼠長期占據人類疾病模型的主導地位,部分原因在于科學家們已掌握了一種針對小鼠的基因編輯方法:利用同源重組來導入突變。由于小鼠能夠快速且大量地繁殖因而這種策略能夠起作用,但低同源重組率使得這種方法無法在諸如猴子等繁殖緩慢的生物中施行。來自南京大學模式動物研究所、南京醫科大學和云南省靈長類生物醫學重點實驗室的研究人員成功地利用 CRISPR/Cas9 系統對孿生的食蟹猴進行了精確的基因修飾,首次在靈長類動物中獲得成功。研究人員首先在一種猴細胞系中對這一技術進行測試,破壞了3個基因,其成功率達到 10%~25%。受此鼓舞,科學家們隨后在 180 多個單細胞期猴胚胎中同時靶向了這3個基因。在對 15 個胚胎的基因組 DNA 進行測序后,他們發現其中有8個胚胎顯示出兩個靶基因同時突變的跡象。研究人員隨后將遺傳修飾的胚胎轉移到代孕母猴體內,其中一個生出了一對孿生猴。通過測序這對孿生猴的基因組 DNA ,他們證實存在兩個靶基因突變: Ppar-γ 幫助調控新陳代謝, Rag1 與健康的免疫功能相關。猴基因編輯的成功將會吸引藥物公司的注意,特別是神經科學領域,這有可能讓這些公司開展猴疾病模型的藥物效果評價,這更接近人類疾病的情況,可以大大降低藥物研究的風險。(Cell

揭開Cas9基因組編輯核心謎團

有一種蛋白在細菌免疫系統中起著至關重要的作用,并正快速成為一種很有用的遺傳工程工具。來自勞倫斯伯克利國家實驗室和加州大學伯克利分校的研究人員確定了這一叫做 Cas9 的細菌酶在病毒感染過程中是如何在 RNA 序列的引導下識別和降解外源 DNA ,以及在動物和植物細胞中誘導位點特異性遺傳改變的。通過結合單分子成像和大量的生化試驗,該研究小組證實 Cas9 的基因組編輯能力是通過稱作為“ PAM ”( protospacer adjacent motif)的短 DNA 序列來實現的。研究揭示了 PAM 的兩個主要功能,解釋了它對于 Cas9 能夠靶向和切割與導向 RNA 相匹配的 DNA 序列如此至關重要的原因。在外源 DNA 的靶向位點附近存在 PAM ,而宿主基因組的這些靶向位點則缺乏 PAM ,使得 Cas9 能夠精確區分必須降解的非自身 DNA 和幾乎完全相同的自身 DNA 。此外,存在 PAM 也是激活 Cas9 酶的必要條件。本研究利用了一種獨特的 DNA 窗簾分析法和全內反射熒光顯微術(Total inte RNA l reflection fluorescence microscopy TIRFM),在 Cas9 結合與解讀 DNA 之時對單個 Cas9 進行了實時成像。 DNA 窗簾技術提供了前所未有的、關于 Cas9 靶點搜尋過程機制的一些新認識。采用傳統的大量生物化學檢測驗證了成像的結果。(Nature

解析基因組編輯明星Cas9酶的三維結構

Cas9 酶在細菌免疫系統起著關鍵作用,而作為一種有力的新基因組編輯工具,它引起了科學家們極大的研究熱情。來自加州大學伯克利分校(UCB)的研究人員首次在鏈球菌(Streptococcus pyogenes)和放線菌(Actinomyces naeslundii)中解析了 Cas9 蛋白(SpyCas 和 AnaCas9)的三維晶體結構,獲得了兩種主要 Cas9 酶的晶體結構,分辨率分別達到了 2.6 和 2.2Å。在催化區域之外,這兩種結構差異很大,但 Cas9 家族的成員具有相同的核心結構,這一結構可以裂開兩瓣形成鉗狀。研究人員通過單顆粒電鏡向人們展示了Cas9 搭檔引導 RNA 與目標 DNA 相互作用的機制,Cas9 蛋白單獨存在時處于非活性狀態,但與引導 RNA 結合后,它的三維結構會經歷劇烈的改變,允許 Cas9 與目標 DNA 結合。這一結果可以幫助人們對 Cas9 酶進行改良,使其更適合基礎研究和基因工程。(Science

重要核膜蛋白的作用機制

Stowers醫學研究所的研究人員在活細胞中進行觀察,向人們展示了重要核膜蛋白的作用機制。Ndc1蛋白非常保守,出現在從酵母到人類的各種生物中。在細胞核膜上,嵌有這種蛋白的地方會形成孔。對于酵母來說,這樣的孔會形成兩個必要的細胞結構:核孔復合體和紡錘體極體。紡錘體極體負責錨定細胞骨架的纖維,在細胞分裂時將染色體拉到兩邊。為了確保遺傳物質正確分配,每當細胞準備分裂時,就必須建立新的核孔復合體和紡錘體極體。Ndc1蛋白對于細胞的生存至關重要,但由于細胞對于Ndc1的改變過于敏感,例如去除、改變或者增加Ndc1,都會令細胞死亡,如此解析Ndc1的功能特別困難。Sue Jaspersen博士領導的研究團隊發現,Ndc1與Mps3蛋白的相互作用,掌管著Ndc1在核膜上的分配。隨后,研究團隊使用復雜的成像技術(fluorescence cross-correlation microscopy),在活細胞中直接觀察了Mps3與Ndc1的相互作用。他們分別給Ndc1和Mps3附上紅色和綠色的熒光標簽,然后觀察這些蛋白在細胞中的移動。這一策略不僅證實了Mps3和Ndc1的相互作用,還允許研究團隊追蹤了互作發生的位點。研究顯示,Mps3和Ndc1一起到達核膜,但它們的互作并不在核孔復合體或者紡錘體極體附近。研究人員推測,Mps3的作用可能是幫助Ndc1到達目的地,對核孔復合體和紡錘體極體的分布進行控制。(Journal of Cell Biology

來源:基因農業網

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