基因的 "文字处理器" - 科学家揭示生物编程的全新机制

基因的 "文字处理器" - 科学家揭示生物编程的全新机制 桥式重组酶机制的可视化。来源：视觉科学这项研究是与 Arc 研究所核心研究员、斯坦福大学生物化学助理教授 Silvana Konermann 和东京大学结构生物学教授 Hiroshi Nishimasu 的实验室合作完成的。桥式重组酶机制的可视化，突出显示供体和目标结合环。来源：视觉科学基因编程新时代该研究的资深作者、Arc 研究所核心研究员、加州大学伯克利分校生物工程助理教授 Patrick Hsu 博士说："桥式 RNA 系统是一种全新的生物编程机制。桥式重组可以通过序列特异性插入、切除、反转等方式普遍修改遗传物质，从而实现超越CRISPR的活体基因组文字处理器。"桥式重组系统源于插入序列 110（IS110）元件，它是无数种可转座元件（或称"跳跃基因"）中的一种，可在微生物基因组内部和之间进行剪切和粘贴。可转座元件遍布所有生命形式，并已进化成专业的 DNA 操作机器，以求生存。IS110元件非常简单，仅由一个编码重组酶的基因和侧翼DNA片段组成，而这些DNA片段直到现在仍是一个谜。可视化桥式重组酶机制，突出显示转座子 DNA 和基因组目标位点。来源：视觉科学桥式 RNA 的先进机制Hsu 实验室发现，当 IS110 从基因组中切除时，非编码 DNA 的末端会连接在一起，产生一个折叠成两个环的 RNA 分子桥接 RNA。其中一个环路与 IS110 元本身结合，而另一个环路则与插入 IS110 元的目标 DNA 结合。桥接 RNA 是双特异性引导分子的第一个例子，它通过碱基配对相互作用指定目标 DNA 和供体 DNA 的序列。研究小组发现了桥式重组酶机制，这是一种以可编程方式重组和重排 DNA 的精确而强大的工具。桥式重组酶机制远远超越了CRISPR等可编程基因剪刀，它使科学家们不仅能指定要修改的目标DNA，还能指定要识别的供体材料，因此他们可以插入新的功能性遗传物质，剪除有问题的DNA，或反转任何两个感兴趣的序列。通过这段可视化桥式重组机制关键环节的视频短片，您可以了解更多信息。来源：视觉科学桥接 RNA 的每个环路都可独立编程，研究人员可以将感兴趣的目标 DNA 序列与供体 DNA 序列混合匹配。这意味着该系统可以远远超越其插入 IS110 元件本身的天然作用，而是能够将任何理想的基因载荷（如有缺陷的致病基因的功能拷贝）插入到任何基因组位置。在这项工作中，研究小组证明，在大肠杆菌中插入所需基因的效率超过 60%，对正确基因组位置的特异性超过 94%。共同第一作者、加州大学伯克利分校生物工程研究生尼克-佩里（Nick Perry）说："这些可编程桥接 RNA 将 IS110 与其他已知重组酶区分开来，后者缺乏 RNA 成分，无法进行编程。就好像桥接 RNA 是一个通用电源适配器，能让 IS110 与任何插座兼容"。Patrick Hsu、Nick Perry 和 Matt Durrant 讨论新发现的桥式重组酶机制。图片来源：Ray Rudolph合作研究和未来影响Hsu实验室与东京大学Hiroshi Nishimasu博士实验室的合作补充了他们的发现，这一发现也于6月26日发表在《自然》杂志上。Nishimasu 实验室利用低温电子显微镜确定了与目标 DNA 和供体 DNA 结合的重组酶桥 RNA 复合物的分子结构，并依次对重组过程的关键步骤进行了分析。Januka Athukoralage、Nicholas Perry、Silvana Konermann、Matthew Durrant、Patrick Hsu、James Pai 和 Aditya Jangid。图片来源：雷-鲁道夫随着进一步的探索和发展，桥接机制有望开创第三代 RNA 引导系统，超越 CRISPR 和 RNA 干扰（RNAi）的 DNA 和 RNA 切割机制，为可编程 DNA 重排提供统一机制。对于哺乳动物基因组设计桥式重组系统的进一步发展至关重要的是，桥式重组酶可以连接两条 DNA 链，而不会释放切割 DNA 片段这避开了当前最先进基因组编辑技术的一个关键局限。"桥式重组机制解决了其他基因组编辑方法所面临的一些最基本的挑战，"研究共同负责人、Arc 公司资深科学家马修-达兰特（Matthew Durrant）说。"可编程地重新排列任意两个DNA分子的能力为基因组设计的突破打开了大门"。编译自/ScitechDaily ... PC版： 手机版：

科学家揭示对基因组健康至关重要的145个基因

科学家揭示对基因组健康至关重要的145个基因 2月14日，《自然》杂志发表了一项新研究，通过对近千个转基因小鼠品系进行系统筛选，发现了一百多个与DNA损伤有关的关键基因。这项工作为癌症进展和神经退行性疾病提供了见解，也为蛋白质抑制剂提供了潜在的治疗途径。基因组包含生物细胞内的所有基因和遗传物质。当基因组稳定时，细胞就能准确地复制和分裂，将正确的遗传信息传递给下一代细胞。尽管基因组非常重要，但人们对影响基因组稳定性、保护、修复和防止 DNA 损伤的遗传因素知之甚少。突破性研究及其影响在这项新研究中，威康-桑格研究所的研究人员与剑桥大学英国痴呆症研究所的合作者一起，着手更好地了解细胞健康的生物学特性，并找出维持基因组稳定性的关键基因。研究小组利用一组转基因小鼠品系，确定了 145 个在增加或减少异常微核结构的形成中起关键作用的基因。这些结构表明基因组不稳定和 DNA 损伤，是衰老和疾病的常见标志。当研究人员敲除DSCC1基因时，基因组不稳定性的增加最为显著，异常微核的形成增加了五倍。缺乏该基因的小鼠具有与人类凝聚素病症患者相似的特征，这进一步强调了这项研究与人类健康的相关性。通过 CRISPR 筛选，研究人员发现DSCC1缺失引发的这种效应可以通过抑制蛋白质 SIRT1 得到部分逆转。这些发现有助于揭示影响人类基因组一生健康和疾病发展的遗传因素。该研究的资深作者、剑桥大学英国痴呆症研究所的加布里埃尔-巴尔穆斯（Gabriel Balmus）教授说："继续探索基因组不稳定性对于开发针对遗传根源的定制治疗方法至关重要，其目标是改善各种疾病的治疗效果和患者的整体生活质量。我们的研究强调了SIRT抑制剂作为治疗粘连蛋白病和其他基因组疾病途径的潜力。它表明，早期干预，特别是针对 SIRT1 的干预，有助于在基因组不稳定性发展之前减轻与之相关的生物变化。"这项研究的第一作者、威康桑格研究所的大卫-亚当斯（David Adams）博士说："基因组稳定性是细胞健康的核心，影响着从癌症到神经变性等一系列疾病，但这一直是一个探索相对不足的研究领域。这项工作历时15年，体现了从大规模、无偏见的基因筛选中可以学到什么。所发现的 145 个基因，尤其是那些与人类疾病相关的基因，为开发治疗癌症和神经发育障碍等基因组不稳定疾病的新疗法提供了有希望的靶点。"研究要点：对基因组造成损害的各种来源包括辐射、化学接触以及 DNA 复制或修复过程中的错误。微核是一种小的异常结构，通常被称为"突变工厂"，其中含有错位的遗传物质，而这些物质本应在细胞核中。它们的存在意味着患癌症和发育障碍等疾病的风险增加。凝聚蛋白病是一组因凝聚蛋白功能障碍而导致的遗传病，凝聚蛋白对细胞分裂过程中染色体的正常组织和分离至关重要。这可能导致一系列发育异常、智力障碍、独特的面部特征和生长迟缓。当 SIRT1 蛋白被抑制时，DNA 损伤就会减少，它们就能挽救与内聚力破坏相关的DSCC1缺失所带来的负面影响。这种作用是通过恢复一种名为 SMC3 的蛋白质的化学水平实现的。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

中国科学家首次实现鸡冷冻卵巢组织活体复原

中国科学家首次实现鸡冷冻卵巢组织活体复原 成果负责人、中国农业科学院北京畜牧兽医研究所蛋鸡遗传育种创新团队资深首席陈继兰研究员介绍，遗传材料的冷冻保存与复苏是实现畜禽遗传资源长期安全保护的重要保障，在过去，由于家禽的繁殖特性和遗传材料的低温生物学特性，冷冻保存与复苏技术一直是难点，长期制约我国家禽遗传资源的高效保存。本成果在国家“十四五”重点研发计划“农业单胃动物和水产生物珍稀濒危种质资源的抢救性保护”项目的支持下，项目主持单位中国农业科学院北京畜牧兽医研究所蛋鸡遗传育种创新团队，利用玻璃化冷冻保存技术成功冻存了横斑洛克鸡雏鸡（供体）卵巢组织，解冻复苏后原位移植到白来航鸡（受体）卵巢并发生组织融合。随着受体性成熟，受体可同时产生由供体卵巢组织中卵原干细胞分化形成的卵子以及受体来源的卵子，进行人工授精供体品种横斑洛克公鸡来源的精液，受体白来航母鸡有一定概率可以产生供体精卵结合产生的雏鸡（外观为横斑洛克黑羽），从而实现通过冻存卵巢的移植进行活体复原。据悉，该团队前期在国内率先突破鸡精液冷冻保存技术，已成功应用于国家家养动物种质资源库收集保存了30余个珍稀濒危鸡遗传资源，为我国家禽资源保护创新迈出了关键一步。“由于家禽雌性是异配性别，该卵巢冷冻和原位移植技术的成功，突破了单性别冷冻保存精子难以保存完整基因组的难题，后续将对复原个体开展评估，并进一步研究复原效率提升方案。此次试验成功，标志着我国可以通过精液和卵巢组织遗传材料的冷冻保存，实现鸡种质资源跨越时空的活体复原，对我国鸡遗传资源长期有效保存、濒危资源的抢救性保护具有里程碑意义。”陈继兰说。 ... PC版： 手机版：

中国科学家在癌症精准治疗上获新突破

中国科学家在癌症精准治疗上获新突破 据统计，超过半数的人类肿瘤中发现了p53突变基因，突变后的p53蛋白不仅丧失了原有的抑癌能力，还异常聚集在细胞内，致使肿瘤发生、侵袭、转移以及化疗耐药等。研究人员通过NanoTAC技术形成仿生模拟人体天然降解系统的选择性自噬关键受体蛋白。该仿生纳米受体成功实现对肿瘤细胞中突变p53的自噬性降解，并在多种肿瘤细胞和卵巢癌患者来源的肿瘤动物模型中均展现出了显著治疗效果。NanoTAC技术作为一种全新的仿生纳米平台，不仅能够实现药物递送，还能够通过诱导自噬靶向降解致病蛋白，为解决癌症等重大疾病的精准治疗难题提供了新思路新方向。 ... PC版： 手机版：

科学家通过基因编辑诱使癌细胞自毁

科学家通过基因编辑诱使癌细胞自毁 创新的关键在于引入了两个新的"开关"。第一个开关能使改造细胞在接触某种药物时，超越并主宰癌细胞群的其他部分。第二个开关会释放一种毒素，杀死现在占主导地位的改造细胞及其未改造的邻近细胞。发表在《自然-生物技术》（Nature Biotechnology）上的一项研究强调，这种"双开关选择基因驱动"方法解决了现有癌症治疗方法的核心难题。一些癌细胞不可避免地会进化出抗药性机制，从而在治疗中存活下来。细胞可能会使药物失活，关闭药物靶向的通路，或做出其他分子改变以维持生命。为了应对这种情况，医生通常会使用多种药物组合，以不同的方式攻击肿瘤。然而，这些选择是有限的，尤其是对于缺乏有效治疗靶点的难治癌症。新技术采用了一种截然不同的方法。它不是寻找新的药物或靶点，而是利用肿瘤快速进化的能力来对付它。在概念验证实验中，研究人员使用了肺癌细胞和药物厄洛替尼。通常，厄洛替尼是通过阻断表皮生长因子受体蛋白的活化来发挥作用的，而表皮生长因子受体蛋白是细胞不受控制生长的驱动力。然而，科学家们改造了肺癌细胞，通过第一个"自杀基因"来逆转厄洛替尼的作用，使细胞产生抗药性，并在接触药物后迅速增殖。将厄洛替尼应用于混合修饰和未修饰的癌细胞，可使经过编辑的细胞迅速成为肿瘤样本中的主要群体。一旦达到这种效果，研究人员就停止给药。然后，他们用一种名为 5-FC 的无害化合物激活了第二个"自杀基因"。这种基因能表达一种酶，将 5-FC 转化为剧毒抗癌药物 5-FU。由于被编辑的细胞现在占了肿瘤的大部分，释放的毒素有效地杀死了整个癌细胞群。研究人员在患有非小细胞肺癌（最常见的肺癌类型）的小鼠身上测试了这种方法，发现经过改造的细胞在20天内就超越了原来的肿瘤。到第80天，肿瘤完全消退。研究小组目前正努力在其他癌症类型和药物组合上测试这种方法。如果试验成功，它将为战胜癌症提供一种新方法。 ... PC版： 手机版：

科学家完成阿拉比卡基因组测序 为开发适应气候的咖啡打开大门

科学家完成阿拉比卡基因组测序 为开发适应气候的咖啡打开大门 参考基因组对于开发更能适应气候变化和抗病的品种至关重要。通过对阿拉比卡咖啡的参考基因组进行前所未有的测序，一个科学家联盟得以筛选出可能对咖啡抵抗锈病和其他疾病负有责任的基因（候选基因）。同时，他们还确定了与阿拉比卡咖啡香味有关的一些基因的表达。这项研究可为开发更适应气候变化的品种提供指导。图片来源：Gian Barros"有了基因组知识，我们就有可能获得以下两个方向的信息：通过指导杂交来培育品种，换句话说，为我们今后培育新品种的杂交提供参考；"Douglas Domingues 是巴西圣保罗大学路易斯-德凯罗斯农学院植物基因组学和转录组学小组的研究员，也是这篇论文（他当时还在圣保罗州立大学里奥克拉罗分校工作）的作者之一。据他说，对基因组进行测序是一场竞赛。"测序的价格下降了很多，而咖啡是少数几种还没有进行参考基因组测序的商品之一。其他小组也在尝试，在我们之前就有一篇论文发表了。但他们大多采用的是标准策略：选择一种有趣的植物进行栽培，然后对其基因组进行测序。"Domingues 所在的小组对一种植物进行了测序，这种植物从农艺学的角度来看并不有趣，但从遗传学的角度来看却大有可为。"我们参考基因组的优势在于它来自'二倍体'个体。这项工作的协调人、雀巢食品安全与分析科学研究所基因组学高级专家 Patrick Descombes 解释说。他解释说，阿拉比卡咖啡是一种四倍体：它有两个基因组，因为它是由另外两个物种融合而成的。"与常见的四倍体品种相比，通过对阿拉比卡咖啡的二倍体进行测序，科学家们可以获得更清晰、更简化的基因组视图。这样就能更精确地识别相似基因之间的变异，促进分子信息在改良研究中的应用。在这项研究中，研究小组能够更准确地确定这种融合发生的时间：不超过60万年前，C. canephora和C. eugenioides融合形成这种四倍体杂交种，并继续其进化之路。"我们利用阿拉比卡、罗布斯塔和尤金尼欧亚种的DNA信息得出了这一结论：我们能够做出更准确的推断，因为以前这一区间的年代在5万年到100万年之间。"Domingues报告说："我们将这一时间窗口缩短为 35 万年至 60 万年。"这篇文章最近发表在《自然-遗传学》（Nature Genetics）杂志上，是包括巴西在内的十多个国家的科学家联合攻关的成果，这些科学家与一个以上的机构合作。就多明戈斯而言，他的参与得到了巴西国家科学基金会（FAPESP）的部分资助，该基金会通过青年研究员项目和博士后奖学金授予了苏珊娜-蒂米-伊万本-铃木（Suzana Tiemi Ivamoto-Suzuki），苏珊娜-蒂米-伊万本-铃木也是文章的作者之一。野生与栽培咖啡的基因多样性"我们利用参考序列来了解非洲原产地野生阿拉比卡咖啡的多样性，并将其与当今种植的阿拉比卡咖啡进行比较，"ESALQ-USP 的科学家解释说，研究小组对种植在世界各地的阿拉比卡咖啡品种以及在埃塞俄比亚森林中采集的野生标本进行了重新测序，并设法了解了野生咖啡与种植咖啡之间的差异。为了从基因组学的角度了解阿拉比卡的进化史，该研究小组对 46 个样本进行了测序，其中包括 3 个罗布斯塔样本、2 个尤金尼欧样本和 41 个阿拉比卡样本。后者包括一个 18 世纪的模式标本（分类群作者在描述该分类群时指定的实物标本，作为该分类群的基础材料）、12 个具有不同育种历史的栽培品种、帝汶杂交种（阿拉比卡与抗虫害的C. canephora品种自发杂交）及其与阿拉比卡的 5 次回交，以及从埃塞俄比亚大裂谷东西两侧采集的 17 个野生样本和 3 个野生/栽培样本。"我们使用了最新的基因组技术，即来自高保真 PacBio 系统（用于基因测序）的长读数和来自 Illumina 的短读数（用于分析遗传变异和生物功能的集成系统）的近距离连接，来生成染色体组装。这种组合产生了最高质量和完整性的染色体级组装，"Descombes 说。寻求抗病能力据 ESALQ-USP 教授介绍，在栽培品种中，对育种非常重要的是引入抗咖啡叶锈病的基因。20 世纪 30 年代，巴西在这方面发挥了重要作用。IAC（坎皮纳斯农艺研究所，也位于圣保罗州）是研究和育种的先驱中心。坎皮纳斯农艺研究所的研究人员向我们提供了该机构早在 20 世纪 30 年代就开始实施育种计划的植物。以病害为导向的育种工作出现在 20 世纪 60 至 70 年代，主要工作是将一种抗锈病的阿拉比卡植物（即所谓的帝汶杂交种）与生长在不同国家的植物进行杂交，从而培育出抗锈病的新品种。但当时还不知道是哪些基因产生了抗性。帝汶杂交种于 20 世纪 20 年代在帝汶岛的田间被发现，具有天然抗锈病和其他病害的能力。除锈病外，咖啡浆果病、咖啡浆果螟和咖啡二化螟是影响世界许多地区生产的另外三种主要害虫。气候变化也是控制病虫害的一个关键问题，因为气候变化会使病虫害蔓延到新的地区。雀巢农业科学研究所植物遗传学和化学组经理莫德-勒佩利（Maud Lepelley）透露说："不同地区之间的生咖啡豆贸易也是导致某些病虫害向新地区传播的另一个因素。"在现已发表的论文中，研究小组设法找到了文献中已经与抗病性相关的基因集，这些基因只存在于改良后的品种中。"帝汶杂交种以某种方式获得了这些抗病基因，现在我们知道是哪些基因了。它们有几十种，但我们已经缩小了搜索范围。阿拉比卡咖啡有 69000 个基因，而我们已经缩小到了不到 30 个。"多明戈斯指出："能够确定这些以前未知的候选抗性基因，是我们研究中前所未有的成就。"但这项工作远未结束，因为这些基因还有待测试。还需要进行更多的研究，以确定并培育出能够抵抗这些病虫害和其他咖啡病虫害的品种。利用分子遗传学，该研究小组还能够进行三重分离，表明埃塞俄比亚野生植物的遗传多样性不同于今天种植的咖啡，这可能是由于瓶颈效应和驯化造成的，因为在驯化过程中很少有植物被选中。科学家指出："我们在此表明，由于驯化前的多重瓶颈效应，野生标本的遗传多样性已经很低，而被人类选择用于种植的基因型，包括古老的埃塞俄比亚本地品种和较新的品种，已经在一定程度上混合了不同的品系。"基因表达与咖啡香气与此同时，多明戈斯小组还观察到了一些与咖啡品质，尤其是香味有关的基因表达事件。他们研究了萜烯合成酶（在植物中与抵御昆虫有关），以及一个与咖啡中脂质化合物有关的基因，该基因编码脂肪酸去饱和酶。"我们在一个亚洲阿拉比卡品种中观察到，与香气和风味相关的基因在果实中由C. eugenioides亚基因组表达的多于另一个亲本。换句话说，其中一个基因组对饮料感官特性的贡献大于另一个基因组。"Domingues 说："我们现在想知道的是：这是否适用于我们测序的所有品种，包括改良前和改良后的品种？"探索阿拉比卡咖啡中的基因相互作用这项研究揭示了C. canephora和C. eugenoides基因之间的相互作用如何与阿拉比卡咖啡的香味等特征相关联。阐明基因之间的相互作用有助于增进我们对阿拉比卡咖啡重要特征的遗传机制的了解，而这是开发新品种的基本前提，可以保证未来咖啡产品所需的咖啡豆的生产。这项工作的衍生项目已经在进行中。"我刚刚与法国研究人员合作启动了另一个项目，这也是第一项工作的衍生项目。我们现在要分析非栽培咖啡物种。我们希望了解非咖啡物种的基因组，这些物种所包含的特征与气候变化情景相关。我们的重点是对气候适应能力较强的物种进行测序。我们想知道它们有哪些基... PC版： 手机版：