基因新闻 第124页

近日，美国哈佛医学院科研人员在Nature Communications上发表了题为“Bacterial variability in the mammalian gut captured by a single-cell synthetic oscillator”的文章，利用单细胞基因振荡器检测到哺乳动物肠道中的细菌变异性。

基因振荡器是基于一种人工合成的震荡性基因回路而开发的活细胞内的“合成时钟”，可用于控制基因工程细胞的定时功能和基因的周期性表达。在过去的几十年里，细菌细胞中的合成基因振荡器逐渐发展完善，然而，由于这一系统在复杂的活体环境（如哺乳动物肠道）中缺乏稳定性和精确性，因此应用受到了限制。在本研究中，科研人员展示了一种在小鼠肠道中可以保持数天稳定性的合成振荡器，并利用开发的图像处理方法，通过检测单细胞水平的细菌繁殖标记，量化了细菌对炎症和肠道微生物群潜在变化的反应动力学。这一研究直接检测到在宿主发生疾病时，细菌繁殖的异质性有所增加，以及细菌繁殖在肠道不同部位之间的差异，展示了精确工程基因振荡器在复杂的活体环境中的应用。由于工程菌在临床上作为诊断和治疗手段具有广阔的应用前景，因此基因振荡器有望在控制与时间相关的功能或复杂的记录和计数等方面扩展工程菌的应用。(生物谷Bioon.com）

2019年11月15日讯/生物谷BIOON/—人类的肠道是一个危险的地方。生活在人肠道中的细菌会排出毒素来阻止微生物入侵者。不过，在一项新的研究中，来自美国华盛顿大学的研究人员报道每个人的肠道都带有自己的一套毒素—个体化的“密码（passcode）”，细菌必须解决这些毒素才能生存下来。相关研究结果近期发表在Nature期刊上，论文标题为“Human gut bacteria contain acquired interbacterial defence systems”。

论文共同通讯作者、华盛顿大学霍华德休斯医学研究所研究员Joseph Mougous说，这些研究结果表明益生菌或活生物疗法（live biotherapeutics），即促进健康细菌生长的微生物补充剂，并没有一种放之四海而皆准的方法。他的团队的研究工作是朝着弄清楚科学家们如何可能为不同的人定制有益微生物而迈出的较早的一步。

他说：“操纵肠道微生物来促进健康很有前景，但尚不清楚在肠道中定植的规则。”如今，科学家们对细菌如何定植有了更好的理解。

人类的肠道充满细菌。粪便每克含有约1000亿个细菌细胞，肠道细菌的数量是人类细胞的10倍。Mougous说，这些微生物（统称为肠道微生物组）承担着各种各样的维护工作。他们消化食物，保持肠道表面完整，提供维生素，并清除有害细菌。他说：“肠道微生物组对人类健康非常重要，这一点我们是知道的。”

在过去的十年中，Mougous团队找出了一种称为VI型分泌系统（VI secretion system）的细菌防御机制的细节。这种分泌系统就像一个分子注射器，将毒素注入邻近的细胞。这些毒素会破坏细胞壁，撕裂细胞膜并吞噬细胞的能量来源。他说：“它们是非常阴险的。”

细菌利用免疫基因来中和这些毒素并保护自己。缺乏正确基因的入侵者会从肠道中被踢出。 Mougous团队曾认为毒素和免疫基因像锁和钥匙一样成对出现。但是对来自1000多个人类粪便样本的数据进行的分析显示出令人吃惊的东西。

作为一种肠道细菌，脆弱拟杆菌（Bacteroides fragilis）的免疫基因远远超过了毒素基因。Mougous团队发现，所有这些额外的免疫基因实际上都属于其他细菌。这些细菌窃取了脆弱拟杆菌的基因，从而保护它们自己免受脆弱拟杆菌产生的毒素的侵害。Mougous说，这意味着这些基因对于细菌在肠道中生存至关重要。这是科学家们以前所不知道的。

包括微生物学家Benjamin Ross 在内的Mougous团队与华盛顿大学的Elhanan Borenstein（另一名论文共同通讯作者）合作进行了基因组分析。此后，Borenstein搬到了以色列特拉维夫大学，Ross如今就职于美国达特茅斯学院。Mougous说：“这种合作非常有趣，这是因为它使我们两个团队都进入了新领域。”

实验室中的实验表明这些免疫基因聚集在能够在细菌菌株之间跳跃的DNA片段上。在实验室培养皿和活体小鼠中，赋予这些基因的细菌立即对脆弱拟杆菌的毒素产生抵抗力。

更重要的是，这些研究人员发现，人类粪便样品具有毒素和免疫基因的独特组合。 Mougous说：“因此，在不同人的微生物组中生存所需要的东西可能是不同的。”

他说，这些研究结果可以解释为什么人们很难修补他们的微生物组组成。“将某些细菌在肠道内定植的通用方法可能永远不会成功，而且可能需要个体化方法。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

1.Benjamin D. Ross et al. Human gut bacteria contain acquired interbacterial defence systems. Nature, 2019, doi:10.1038/s41586-019-1708-z.

2.To survive in the human gut, bacteria need genetic ‘passcode’
https://phys.org/news/2019-10-survive-human-gut-bacteria-genetic.html

2019年12月1日 讯 /基因宝jiyinbao.com/ –每个分子遗传学家都希望找到一个易于使用的程序，可以比较来自不同细胞条件的数据集，识别增强子区域，然后将其分配给目标基因。
 
如今，柏林马克斯·普朗克分子遗传学研究所的马丁·温格隆（Martin Vingron）领导的研究小组现已开发出一个掌握所有这些内容的程序。 “ DNA非常无聊，因为它在每个细胞中几乎都一样。如果将基因组比作生命之书，那么我对旁注则更感兴趣。”这些“旁注”是指附着在DNA分子上的小化学标记，它们不会改变遗传信息本身，但会影响相应位点上DNA发生的变化。换句话说，这些标记具有表观遗传作用。它们充当负责启动子和增强子等基因激活和失活的基因组区域的调节剂。
 
在许多复杂的疾病中，基因的表观遗传控制无法正常工作，这对科学家非常感兴趣。然而，在实验室中对这些区域的分析通常是麻烦，费时且复杂的。这就是为什么Vingron和他的团队决定开发一个新的程序包的过程。
 
该程序包称为条件特定的调节单元预测（CRUP），它可以简化分析并解决一些实际问题。开发该软件包的生物信息学家Verena Heinrich说：“我们希望通过一个简单的通用程序将增强子预测过程中的常见步骤结合在一起。” CRUP在许多方面简化了分析。机器学习算法不限于特定的细胞或组织类型。无需在每次分析数据集之前重新校准它，并且可以对多个数据系列进行比较研究。该工具由Heinrich和博士生Anna Ramisch开发，仍然易于使用。
 
CRUP专门鉴定和表征增强子-刺激或“增强”基因转录的DNA片段。这些区域吸引附着在启动子序列上的蛋白质，该启动子序列充当每个基因的开关。然而，哪种增强子在正确的时间控制正确的基因通常仍然是一个谜。
 
基因组包含成千上万个增强子，它们在细胞生命的不同阶段（如生长，维持或疾病期间）具有活性。当DNA像羊毛线一样紧密地堆积在称为组蛋白的载体蛋白线轴上时，调节序列处于“静止”状态。它们仅通过对组蛋白的化学修饰而产生影响。
 
这些ChIP数据是新开发程序的初始输入值。 CRUP首先检查所有序列，然后判断它是否是增强子。分类算法基于使用小鼠胚胎干细胞的信息进行训练的人工智能产生。正如Heinrich和她的同事在德国表观基因组计划（DEEP）提供的一系列数据中所展示的那样，它可以检测许多其他动物物种或组织中的增强子区域。
 

2017年10月12日/基因宝jiyinbao.com/—从它们硕大的果实以及紧密的枝干来看，西红柿的确是几千年人为培育的成果。然而，许多单独看来很有生产价值的性状背后的基因突变结合在一起反而会产生不如人意的结果。

来自冷泉港的遗传学家Zachary Lippman与同事们在鉴定出了这些有意思的基因突变之后，希望利用CRISPR基因编辑技术对西红柿进行改造，以提高其适应环境的能力以及产量。

“这听上去很诱人”，来自亚利桑那大学的植物遗传学家Rod Wing说道：”这一技术不仅仅可以用于改造西红柿，还能够用于所有作物的改良”。

腐烂的西红柿

Lippman从小对西红柿田地十分熟悉，在青少年时期，他就经常徒手摘西红柿，但他却不喜欢这个农活。”腐烂的西红柿发出的气味能够持续一整天。因此我总是盼望摘西红柿那天天会下雨”。

然而多年以后，他对于控制植物性状背后的遗传学原理的兴趣却使得自己重新回到了西红柿田中，试图寻找播种者们无意中引发的遗传变异。

1950年，研究者们在加拉帕戈斯群岛上发现了一种类似于西红柿的野生植物，该植物并没有肿胀的，被称为”节”的茎部。

节是植物的茎中最脆弱的部分，果实也因此容易掉落在地上。野生的植物依靠这一手段进行种子的传播，但对于采摘果实的农民来说可就变成了难题。因此，当时培育者们就将这一植物的性状整合入了当时的西红柿品种中，成为了无关节的西红柿。

这一新的性状随后带来了问题：当整合进入现有的西红柿品种中后，植物的开花枝长出了很多小的分支，就像一个扫帚一样。这些花消耗了植物太多的养分，导致果实产量的下降。为了解决这一问题，培育者们试图寻找其它遗传变异的植株并用于改变这一缺点。几十年后，Lippman研究组则成功地发现了该现象背后的遗传学机制。

1+1<1?

他们此前筛选了4193中不同的西红柿品种，试图找到与分支有关的类型。在这一筛选中，他们找到了两类基因。这两种基因合起来导致了分枝的过度形成，其中一个就负责关节的退化。相关结果发表在最近一期的《Cell》杂志上。

另外一个基因则是负责果实上方伞盖状叶子的形成。该性状的具体作用目前并不清楚，但研究者们认为可能与果实的增重有关。

在找到了这些基因之后，研究者们利用CRISPR基因编辑技术抑制了它们的功能。除了这两个基因之外，另外一个负责开花数量的基因也接受了改造。在众多的改造的排列组合中，作者发现其中有一部分品种的产量得到了增加。

这些发现能够帮助植物培育者们充分考虑雨中之后可能出现的负面效应，从而更加合理地设计育种方案。如今，他们正在与培育者们合作利用基因编辑技术改良西红柿的分支、花的数量以及果实的大小。”我们十分希望能够将基础科学知识应用于农业”。Lippman博士说道。

近年来，基因编辑技术正迅速影响着植物基因组学研究领域，在农作物育种、生态能源、工业原料、中药材等方面的应用前景也逐渐受到学术界及全社会的广泛关注。去年，美国的农业部率先敞开口子，对一批基因编辑农作物免于监管，我国政府也已经批准了几种用更早的基因工程技术培育的作物。比起治疗绝症，更优质的农产品可能会是基因组编辑带给普通人的第一项福利。

2017年10月22日/基因宝jiyinbao.com/—在一项新的研究中，来自美国麻省理工学院（MIT）的研究人员开发出一种合成基因回路（gene circuit），当该基因回路检测到癌症的迹象时，它激活体内的免疫系统来攻击这种疾病。这种基因回路仅当它检测到两种特异性的癌症标志物时才会激活一种治疗反应。相关研究结果于2017年10月19日在线发表在Cell期刊上，论文标题为“Synthetic RNA-Based Immunomodulatory Gene Circuits for Cancer Immunotherapy”。

人们普遍认为免疫疗法在抵抗一系列癌症中具有相当大的潜力。根据论文通信作者、MIT生物工程与计算机科学副教授Timothy Lu的说法，在最近的几次临床试验中，这种方法已成功地得到证实。

然而，尽管取得了成功，但是免疫疗法的使用仍然局限于肿瘤特异性抗原的缺乏。肿瘤特异性抗原是能够触发对特定癌症产生免疫反应的物质。比如，当作为一种全身疗法给送到全身时，一些免疫疗法的毒性是另一种障碍。

更为重要的是，这种疗法并不是在所有情况下都会取得成功。Lu说，事实上，即便在一些最为成功的试验中，仅30%～40%的患者会对一种给定的疗法作出反应。

基于此，如今就有开发组合疗法的努力：不同的但互补的疗法被用来增强免疫反应。举例来说，如果一种免疫疗法被用破坏癌症产生的一种抑制信号，而肿瘤通过上调第二种信号作出应对的话，那么另一种疗法随后就被用来靶向它。

Lu说，“我们认为有必要开发更加特异性的仅在肿瘤位点局部发挥作用而不是试图进行全身治疗的靶向免疫疗法。其次，我们想要一揽子开发出多种免疫疗法，因此能够以多种不同的方式刺激免疫系统。”

为了做到这一点，Lu、及其包括MIT博士后研究员Lior Nissim和Ming-Ru Wu在内的团队构建出一种编码在DNA中的能够区分癌细胞和非癌细胞的基因回路。

这种基因回路能够经定制对不同的肿瘤作出反应。它是基于电子学中使用的简单的与门（AND gates）构建出的。这种与门仅当两种输入都存在时才会开启。

癌细胞与正常细胞的差异在于它们的基因表达谱。因此，这些研究人员开发出编码在这种基因回路中的合成启动子，即仅启动癌细胞中的基因表达的DNA序列。

利用一种病毒，这种基因回路被运送到体内受影响的区域。肿瘤细胞中有活性的某些蛋白随后结合到这些合成启动子上，从而将它们激活。仅当这两种癌症启动子都被激活时，这种基因回路才会开启。这就允许这种基因回路比现存的疗法更加准确地靶向肿瘤，这是因为在作出反应之前，它需要两种癌症特异性的信号都存在。

一旦受到激活，这种基因回路表达引导免疫系统靶向肿瘤细胞的蛋白，包括T细胞表面衔接蛋白（surface T cell engagers），这些蛋白引导T细胞杀死这些肿细胞。这种基因回路也表达一种解除对T细胞活性的抑制的检查点抑制剂。

当这些研究人员在体外测试这种基因回路时，他们发现它能够从其他的非癌卵巢细胞和其他的细胞类型中检测到卵巢癌细胞。他们随后在接受卵巢癌细胞移植的小鼠体内测试了这种基因回路，并证实它能够触发T细胞来寻找和杀死这些癌细胞，同时不会伤害它们周围的其他细胞。

这些研究人员还证实这种基因回路经调整后能够很轻易地靶向其他的癌细胞。他们鉴定出乳腺癌选择性的启动子，而且当将它们编码在这种基因回路上时，它会靶向乳腺癌细胞而不会靶向其他的细胞类型。

最终，这些研究人员希望他们也能够利用这种基因回路靶向其他的疾病，比如类风湿性关节炎、炎症性肠病和其他的自身免疫疾病。（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Lior Nissim, Ming-Ru Wu, Erez Pery et al. Synthetic RNA-Based Immunomodulatory Gene Circuits for Cancer Immunotherapy. Cell, Published online: October 19, 2017, doi:10.1016/j.cell.2017.09.049

近日，由南方科技大学、中国科学院北京基因组研究所、浙江大学医学院附属妇产科医院（以下简称“浙大妇产科医院”）等多家单位联合完成的“第三代单分子测序仪的无创产前检测研究”结果显示，使用我国完全自主研发的第三代单分子基因测序仪，可成功应用于无创产前检测（英文简称NIPT），且检测结果100%准确。相关研究成果已发表在由非营利机构美国冷泉港实验室运营的BioRxiv网站上。

“这是世界上首次利用单分子测序技术进行NIPT临床检测并获得成功的案例。”中国科学院北京基因组研究所研究员、项目测序技术负责人于军说，作为中国第三代基因测序技术研究在国际研究领域的一次引领性重大突破和原创成果，这项研究“将实质性地开启健康与医疗体系的个体化时代”。

目前，基于二代测序的NIPT还存在着一些不足，如检测胎儿18-三体综合征(爱德华氏综合征)及13-三体综合征(帕陶氏综合征)的假阳性率还明显高于21-三体综合征，胎儿性染色体异常以及微缺失、微重复检测的准确性有待提高等。

论文第一作者、项目临床负责人、浙大妇产科医院主任医师董旻岳表示，三代测序仪摒弃了二代测序的PCR扩增环节，不受GC偏好影响，在保证了21-三体的精确检测基础上，对18-、13-三体综合征的检出率更高，可有效降低假阳性率。此外，使用二代基因测序仪做NIPT，至少需要在孕12周后才能获得比较准确的检测结果；相比之下，三代基因测序仪灵敏度更高，可检测的cffDNA（母体血浆中存在胎儿游离DNA）浓度低至2%，使得NIPT的检测时间有可能被提前至孕8周。这无疑有利于及早发现、及早处置，将为临床诊治争取到更多宝贵的时间。

董旻岳同时表示，三代测序技术还有望提高胎儿性染色体异常、微缺失、微重复无创检测的灵敏度，拓宽NIPT检测的疾病谱。

在10月26日~29日于深圳举行的第12届基因组学国际会议上，美国梅奥医学中心教授David Smith在其报告中提出，美国Illumina公司基因测序仪全球垄断的现状会带来诸多问题，如科研及医疗机构缺乏选择、试剂成本居高不下等。对此，于军认为，本项研究的成功是基因测序领域的重大利好，意味着我国自主研发的第三代基因测序仪打破美国Illumina公司在NIPT领域一家独大局面的未来可期。

据介绍，该项目所使用的第三代基因测序平台是由深圳市瀚海基因生物科技有限公司（下简称“瀚海基因”）今年7月宣布研发成功并投入小批量样机生产、拥有完全自主知识产权的第三代单分子基因测序仪GenoCare。中国科学院院士陈润生评价说，基于GenoCare的NIPT研究获得成功，证明了无需扩增就可以实现NIPT，这是重大的技术创新，是中国基因测序技术研究领域一次真正意义上的弯道超车。

南方科技大学副教授、瀚海基因董事长贺建奎告诉《中国科学报》记者，第三代基因测序仪及试剂的完全国产化可使检测成本大幅下降并远低于二代测序仪，此外专门为临床进行的设计也使操作更为方便，这些优点都令三代测序仪便于大规模普及。未来，除了NIPT，第三代单分子基因检测技术还有望应用于单基因病、ctDNA肿瘤早筛、传染病检测、农业育种、法医鉴定等方面。（生物谷Bioon.com）

吸烟及空气污染是目前全球面临的两个主要公共健康问题，均可引起人体基因组突变而导致疾病发生。全球每年有182万新发肺癌病例，死于肺癌者达159万人。85%的肺癌是由吸烟所引起，空气污染则每年引起22万新发肺癌病例。为揭示肺癌发生的机理，研究人员往往利用癌旁正常肺组织作为对照，剖析肺癌基因组发生的异常。但是，癌旁正常肺组织同样暴露于吸烟及空气污染之下，是否也发生基因组突变，迄今未被关注。

中国科学院动物研究所周光飚研究组利用“正常对照-癌组织”配对的方法，对11例肺腺癌病人及3例肺鳞癌病人的癌旁正常肺组织及对应癌组织进行全基因组测序，然后将数据与正常人基因组序列、单核苷酸多态性数据库进行比对，并排除由于测序质量不佳造成的误差，发现了仅存在于正常肺组织而不存在于癌组织的突变。利用聚合酶链反应产物测序，研究人员验证了这些仅发生在正常对照肺组织的突变（见图），并将之称为配对正常对照（counterpart normal control， CNC）基因组变异。他们进一步分析了美国癌症基因组图集（TCGA）数据库中的513例肺腺癌、478例肺鳞癌病人全外显子组测序的结果，找到了只存在于正常对照组织中的基因突变。在肺腺癌患者，正常对照组织的外显子每100万个碱基中存在0.27个突变，每例标本含有5.3个基因突变；肺鳞癌患者正常对照组织的外显子平均每100万碱基中存在0.57个突变，每例标本含有7.8个基因突变。在肺腺癌及鳞癌病人的正常对照组织中，C：G→T：A的碱基替换比例最高，是烟草致癌物甲基硝基亚硝基胍(MNNG)引起的基因组疤痕，从另一个角度说明环境因素在肺癌发生发展过程中的重要作用。一些基因的突变与病人预后较差相关，而另一些基因突变则与病人预后较好相关。这说明，在吸烟者的癌旁正常组织中同样存在基因组突变，当突变继续累积就可能形成新的肿瘤病灶，因此肺癌很有可能是多克隆起源的。

相关研究成果分别发表在Oncotarget和中国工程院院刊Frontiers of Medicine上。该项目得到国家自然科学基金杰出青年科学基金、精准医学研究国家重点研发计划、中科院“个性化药物——基于疾病分子分型的普惠新药研发”战略性先导专项等的支持。(生物谷Bioon.com）

据中国科学院广州生物医药与健康研究院最新消息，该院赖良学研究员课题组首次构建了新型条件性表达Cas9基因工具猪模型，利用此模型，率先实现了直接对成体大动物进行体内基因编辑，并首次建立了大动物原发性肺癌模型。最新研究成果近日在线发表于《基因组研究》杂志上。

猪是理想的大动物疾病模型、异种器官移植供体模型和异种器官再造受体模型。但要获得这些模型，需要对猪进行基因组编辑。目前，对猪等大动物在体内直接进行基因突变，技术上尚不可行。

猪的基因组编辑主要依赖受精卵注射或体细胞核移植等技术来实现。通过前者技术建立的基因编辑动物易产生嵌合体，且需繁殖到第二代甚至第三代，花2—3年的时间才能够获得；后者技术制备的基因编辑大动物模型，受多种不可控因素影响，体细胞克隆成功率非常低，同样耗时、耗力，且成本极高。

该课题组利用基因打靶技术，成功地将能够剪开基因的Cas9蛋白基因插入到猪基因组的一个特定位点，相当于在猪体内加入了一把基因剪刀，并且在Cas9基因附近加上了能与Cre重组酶结合的loxp位点，后者相当于一个开关，能对其剪切功能的开启加以控制。课题组利用此工具模型，不需要依赖受精卵注射或体细胞核移植技术，在动物体内转入能识别特定基因的gRNA和重组酶，就可直接对猪的基因组进行编辑，从而快速获得相应基因编辑猪模型。

课题组还将含有Cre重组酶和靶向六种肿瘤相关基因的gRNAs慢病毒通过滴鼻方式，感染工具猪的肺脏，在猪肺细胞的基因组发生癌化突变。成功地建立了原发性肺肿瘤大动物模型。(生物谷Bioon.com）

哈佛医学院的小鼠研究为寻找肠道微生物与疾病之间的因果关系铺平了道路