基因新闻 第183页

2017年3月19日讯 /生物谷BIOON /——一项近日发表在Journal of the National Cancer Institute上的国际研究已经揭示了一个与恶性前列腺癌相关的基因突变。这项研究发现携带该基因突变的男性患恶性前列腺癌的风险增加了三倍，而前列腺癌人群中出现该基因突变频率在6%-14%之间。就如同BRCA突变与女性乳腺癌风险关系的发现改变了乳腺癌的治疗与预防格局一样，通过由Lunenfeld-Tanenbaum研究所开发出的血液检测方法，这个关于组织激肽释放酶6基因区域的发现将带来前列腺癌症病人护理的革命。

这项研究由西奈山医院泌尿肿瘤学学主任Alexandre Zlotta博士与Lunenfeld-Tanenbaum研究所（加拿大西奈医疗系统的一部分）研究人员及安大略癌症研究所PIPaul Boutros博士领导完成，研究第一作者为Lunenfeld-Tanenbaum研究所高级研究员Laurent Briollais博士。

这项发现很重要，因为它发现许多前列腺癌病人是伴随着前列腺癌死亡，而不是因为前列腺癌而死亡。Zlotta博士在2013年发表的一篇文章显示无痛前列腺癌在男性身上出乎预料的大流行，因此急需诊断恶性前列腺癌的有效方法。

“作为一名肿瘤医师，我深知一种能够帮助我的病人选择最佳治疗方案的基因诊断工具是多么的重要。”Zlotta说道，“它将帮助大量无痛前列腺癌病人免除不必要的治疗及毒副作用，并帮助诊断恶性前列腺癌以及指导选择最佳治疗方案。”迄今为止，还没有任何一种单一检测方法可以确定前列腺癌的恶性程度，目前的PSA测试（组织激肽释放酶3，位于组织激肽释放酶6附近）只能确定患前列腺癌的风险，并不能确定疾病的严重程度。

为了确定相关的基因突变，研究人员分析了来自欧美的三组独立人群（1858名男性）的血液样品：欧洲前列腺癌筛查随机试验瑞士部分，美国前列腺癌、肺癌、直肠癌、卵巢癌大型筛查试验、玛嘉烈公主癌症中心及西奈山医院。同时他们还发现在130名来自国际癌症基因组联盟的病人身上，KLK6突变可以独立预测病人手术或者放疗的预后结果。（基因宝jiyinbao.com）

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原文出处:

Laurent Briollais et al.Germline Mutations in the Kallikrein 6 Region and Predisposition for Aggressive Prostate Cancer J Natl Cancer Inst (2017) 109(4): djw258;   doi: 10.1093/jnci/djw258

2017年1月20日讯 /生物谷BIOON /——数百万年来，逆转录病毒已经整合到了我们的基因组中，迄今为止，已经占人基因组的10%。一个来自瑞典兰德大学的研究团队最近发现了这些逆转录病毒基因影响我们基因表达的机制，这意味着它们可能在人的大脑发育及神经疾病发展过程中发挥重要作用。

尽管一些逆转录病毒对人类无害，但是其中也包含某些危险病毒，如臭名昭著的HIV。来自瑞典兰德大学Johan Jakobsson及其团队研究的病毒叫做内源性逆转录病毒（ERV），它们已经在人体基因组中存在了数百万年。这些病毒DNA位于一些过去被认为不重要的垃圾DNA中，这意味着研究人员应该开始关注这些DNA。

“人体控制产生蛋白的基因占2%，而这些内源性病毒的DNA占8-10%。如果事实证明这些内源性逆转录病毒的DNA可以影响蛋白质的产生，那么这将为我们进行大脑研究提供大量的新数据。”Johan Jakobsson说道。

而这恰恰就是研究人员发现的事实，他们发现我们基因组中的数千种病毒可能是一种叫做TRIM28的蛋白的“码头”。这种蛋白不仅可以关闭病毒基因，还可以关闭与这些病毒基因相邻的人体DNA序列，这就导致ERV的存在可以间接影响人体基因的表达。

同时这种开关机制在不同的人体中作用不同，因为逆转录病毒的DNA可以嵌入到人体基因组的不同位置。这就意味着逆转录病毒可能是进化的一种工具，甚至可能是导致神经疾病的潜在原因。事实上，已经有研究表明几种神经疾病（如肌萎缩侧索硬化症、精神分裂症、躁郁症）中ERV的调节功能异常。

两年前Johan Jakobsson的团队在小鼠实验中发现ERV在神经元中发挥着独特的调节作用，而最近这项发表在《Cell Reports》上的研究则是在人体细胞中进行的。

就逆转录病毒而言，人体和小鼠细胞之间存在着巨大的差别，人DNA中存在的许多逆转录病毒在大猩猩、黑猩猩中都不存在。它们似乎在35-45百万年前就嵌入到了人基因组中，而灵长类动物的演化谱系在此之前就发生了分裂。

“我们关于大脑发育过程的知识很多都来自果蝇、斑马鱼和小鼠的研究，然而如果ERV确实影响大脑的功能，那么我们自己的ERV或许直接影响了我们的大脑发育。”Johan Jakobsson如是说。（基因宝jiyinbao.com）

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Per Ludvik Brattås, Marie E. Jönsson, Liana Fasching, Jenny Nelander Wahlestedt, Mansoureh Shahsavani, Ronny Falk, Anna Falk, Patric Jern, Malin Parmar, Johan Jakobsson.

TRIM28 Controls a Gene Regulatory Network Based on Endogenous Retroviruses in Human Neural Progenitor Cells. Cell Reports, 2017; 18 (1): 1

DOI: 10.1016/j.celrep.2016.12.010

研究人员已经确定了破坏正常脑衰老并可能增加对阿尔茨海默病和其他神经变性病症的易感性的常见遗传变异体。

在一项新的研究中，研究人员发现，具有基因TMEM106B的两个”坏”拷贝基因的老年人在额叶皮层（与更高认知功能相关的脑区域）中显示出比具有两个正常拷贝基因的人有更大的衰老状况。

研究共同领导者Herve Rhinn – 哥伦比亚大学医学中心（CUMC）的Taub阿尔茨海默病和老化大脑研究所的病理学和细胞生物学助理教授 – 和同事们说，他们的研究表明，TMEM106B可能是脑衰老的生物标志物，该基因甚至可以成为神经退行性疾病的新药靶点。

该团队的研究结果最近发表在Cell Systems杂志上。

许多研究已经确定了在神经退行性疾病中起作用的特定基因。已引起许多关注的是载脂蛋白E（APOE），其与阿尔茨海默病的风险增加相关。

然而，根据Rhinn，这些基因只起到小作用。”到目前为止，神经退行性疾病的主要危险因素是衰老。随着年龄的增长，大脑发生变化，使你更易患脑疾病。”他说。”这让我们思考，在遗传学上，什么驱动健康的大脑衰老？”

为了帮助回答这个问题，Rhinn和他的同事分析了没有神经退行性疾病的1，904个尸体解剖的脑组织。

研究人员研究了每个组织样本的转录组。

然后，团队将每个人的脑组织样本的转录组与年龄匹配个体的平均转录组进行比较，搜索大约100个基因，其表达随着年龄上升或下降。

因此，研究人员能够确定一个人的额叶皮层的生物年龄和实足年龄之间的差异。

生物年龄是指基于外观的估计年龄，而实足年龄是指实际年龄。

接下来，团队分析了每个受试者的基因组，目的是鉴定与生物学和实足年龄的差异相关的遗传变异。

坏的TMEM106B变体可以将额叶皮层老化12年

研究人员发现基因TMEM106B的变体 – 存在于大约三分之二的普通人群中 – 在大脑衰老中发挥重要作用。

他们解释，直到65岁，该基因似乎不影响大脑老化。

详细地，研究人员发现，具有TMEM106B的两个不良拷贝基因的老年人，其生物学上比具有两个正常拷贝的基因的个体生物学大12岁。

该研究揭示了颗粒蛋白前体基因中的另一种变体，其似乎也参与脑衰老，但是研究小组注意到，该变体的效果不如TMEM106B变体强。

虽然需要进一步的研究，但研究人员认为，他们的研究结果可以为预防和治疗神经退行性疾病铺平道路。(生物谷Bioon.com）

  
2016年9月5日Nature Genetics 在线发表由浙江大学种质创新和分子育种检验实验室的张明方教授、杨景华老师与北京百迈客生物科技有限公司、中国农业部园艺植物生长发育与品质改良重点实验室、浙江园艺植物综合生物学省级实验室、中国农业科学院蔬菜和花卉研究所、北京蔬菜研究中心、西澳大利亚大学等合作研究的异源四倍体芥菜基因组，小编在此为大家深入的解读下这篇文章。
   
一、研究背景

 
异源四倍体芥菜（AABB）属于十字花科芸薹属，是重要经济作物，主要包括菜用和油用芥菜两大类群，种植范围较广，经济价值较大。菜用芥菜主要分布在中国等东亚国家和地区，油用芥菜主要分布在印度等南亚国家和地区。芥菜是”禹氏三角”中重要的一员，由白菜和黑芥杂交后加倍而来，至少发生了三次古多倍化事件，因此非常具有研究价值。但是由于其为异源多倍体，相关的全基因组测序工作一直很难开展。来自浙江大学、北京百迈客等单位的团队共同合作，利用最新的测序技术（PacBio+BioNano），成功的组装出高质量的芥菜基因组图谱，为进一步改良芥菜的农艺性状提供了基础，为多倍体物种遗传育种提供了新的方向。同时，也从多角度论证了芥菜A亚基因组起源问题，揭示了多倍体亚基因组间同源基因表达与选择机制。
 
二、研究方法
 
1、组装
 
基于文章设计，我们选取菜用芥菜的一个变种（榨菜），使用二代测序和三代测序相结合的方法进行初步组装，然后利用光学图谱进行校正，得到了一版高质量的芥菜基因组，其中contig N50 由 28Kb 提升到61Kb ，scaffold N50 由710k 提升到1.5Mb.基因组完整性达到85%。另外我们还利用二代测序技术组装了一版黑芥的基因组，基因组大小为591Mb，完整度为68%。
 
然后利用遗传图和光学图谱对A、B亚基因组进行区分,整体挂载效果非常好，A为91.48%，B为72.32%。利用光学图谱和遗传图谱对基因组进行区分，为其他多倍体物种基因组研究提供了参考。
 
2、基因组注释情况
 
在高质量的基因组的情况下，我们采用从头+同源+转录组结合的方法在芥菜基因组中获得了80050个编码蛋白的基因，其中有97.8%的基因可以注释到Nr库。另外黑芥基因组预测出来49826个编码蛋白的基因，其中94.7%可以注释到Nr。重复序列部分芥菜A基因组中重复序列比例为44.25%，B为52.37%。
 
芥菜基因组特征情况见下图

 
三、研究结果
 
1、芥菜A亚基因组起源问题
 
芥菜的基因组是异源四倍体（AABB），在”禹氏三角”中由白菜（AA），黑芥（BB）杂交后加倍形成，在演化过程中变异类型非常丰富。问题是油用芥菜的AA和菜用芥菜的AA是来自同一个亚种，还是来自多个亚种呢，这个问题就是A亚基因组的起源问题。

 
如上图，a中对芥菜A、白菜A、甘蓝型油菜A进行共线性分析，可以发现其是高度共线的。
 
我们对10个菜用的芥菜、7个油用的芥菜，5个甘蓝型油菜基因组、27个白菜基因组（多亚种）进行了重测序分析，并绘制如上图b中的进化树。从b图中可以看到芥菜全部聚在一起，没有出现分散的情况，说明芥菜中A的基因组是来源于同一个亚种，属于单系起源。
 
C图中对同源物种和芥菜进行了进化树构建，并计算了芥菜分化的具体时间为3-5万年。
 
除了从群体的角度研究了芥菜亚基因组A起源问题，还从PCA聚类和Fixed SNP角度验正了单系起源的结论。
 
2、基因表达的dominance现象
 
由于芥菜基因组是异源四倍体，也就是说基因组中存在两套非常相似的亚基因组，那么在基因表达的过程中，位于两套亚基因组上的等位基因的表达模式是怎么样的呢，是一起表达，是相互抑制，还是一方占主导？

 
通过计算等位基因的表达量，发现在不同的时期，不同组织之间，发现存在dominance基因，存在dominance的基因经受的选择压力大于Neutral基因（不存在dominance现象，功能非常重要，纯化作用较强，不轻易突变），但是小于Subordinate基因（作用不重要，纯化作用较小，易丢失）。
 
3、油用芥菜和菜用芥菜的选择与分化
 
通过菜用和油用芥菜群体进行选择清除分析，发现dominance的基因被筛选出来的比例较高，同时结合转录组数据，这部分基因在油用和菜用两个群体中差异表达。同时通过上面的分析发现与硫苷，脂类代谢显著相关并且存在dominance的基因组，这些基因在油用菜用群体中有各自独特基因分型。

 
四、文章亮点
 
1. 多倍体复杂基因组解决方案：二代+三代+光学，组装出高质量复杂基因组；
2. 多个角度证据解决芥菜亚基因组A亚基因组单系起源/杂交起源争论：Asubgenome phylogenetic tree，PCA, polymprphism and fixed SNP；
3. 通过构建群体模型及贝叶斯方法评估多倍体芥菜形成时间上下限，为新多倍体物种形成时间估算提供新方法；
4. 从不同发育时期，不同组织，不同处理条件，不同进化时期多个角度系统分析异源多倍体dominance 现象；
5. 通过油用菜用群体选择角度识别vegetable- and oil- use B. juncea 分化选择区域，发现与硫苷，脂类代谢显著相关并且存在dominance的基因组，这些基因在油用菜用群体中有各自独特基因分型；
6. 首次找到dominance gene 与潜在农艺性状选择相关性的证据，为多倍体物种遗传育种提供了新的方向和基因候选材料。
 
五、摘要
 
The Brassica genus encompasses three diploid and three allopolyploid genomes, but a clear understanding of the evolution of agriculturally important traits via polyploidy is lacking. We assembled an allopolyploid Brassica juncea genome by shotgun and single-molecule reads integrated to genomic and genetic maps. We discovered that the A subgenomes of B. juncea and Brassica napus each had independent origins. Results suggested that A subgenomes of B. juncea were of monophyletic origin and evolved into vegetable-use and oil-use subvarieties. Homoeolog expression dominance occurs between subgenomes of allopolyploid B. juncea, in which differentially expressed genes display more selection potential than neutral genes. Homoeolog expression dominance in B. juncea has facilitated selection of glucosinolate and lipid metabolism genes in subvarieties used as vegetables and for oil production. These homoeolog expression dominance relationships among Brassicaceae genomes have contributed to selection response, predicting the directional effects of selection in a polyploid crop genome.
 
六、参考文献
 
The genome sequence of allopolyploid Brassica juncea and analysis of differential homoeolog gene expression influencing selection
（生物谷Bioon.com）

如果一位医生告诉你，在婴儿出生以前，就可以采用基因编辑技术，根据你的意愿为其”定制”发色、肤色，乃至智商–你会认为这是一个好主意吗？

自诞生以来，基因编辑技术既给人类带来了前所未有的惊喜，也引起了不小的争议。那么，基因编辑技术原理是什么？最新研究进展如何？这把”神奇的剪刀”究竟有什么用？

让我们来听听北京大学生命科学学院研究员魏文胜和哈尔滨工业大学生命科学与技术学院院长黄志伟这两位教授怎么说。

基因编辑咋编辑

如同对文本进行修改一样，首先把错误或想要修改的地方找出来，然后使用工具，插入、删除或者改写一段”文字”

了解基因编辑的原理，首先要弄懂什么是基因。基因是具有遗传效应的DNA（脱氧核糖核酸）片段，它能控制生物的性状，支持生命的基本构造和性能。自DNA发现以来，科学家们一直在尝试进行”基因编辑”，比如培育更高产的小麦、选育毛色更可爱的宠物……这些懵懂的”原始实验”从未间断。

专家介绍说，基因编辑就是特异性地来改变目标基因序列的技术。如同对文本进行修改一样，首先要把错误或想要修改的地方找出来，然后使用工具，按照修改的意图，插入、删除部分词句或者改写一段”文字”。当然，基因编辑是在细胞内对基因序列进行类似的操作，过程更加复杂：首先需要用一种复合体把目标基因序列特异性地识别出来，以避免”伤及无辜”；复合体再将DNA的双链剪断，在目标基因序列上制造断裂端，这时细胞自身的DNA修复机制马上会启动，对断裂端进行修复，让它重新连接起来。如果在修复过程中，有一个”模板”存在，细胞就会以此为标准进行修复，基因编辑就此完成。

这种能切割的复合体必须是一把自带”导航系统”的”剪刀”，即包含DNA识别区域和DNA切割区域。”剪刀”在基因编辑的过程中至关重要，因此找到更好用的”剪刀”一直是基因编辑的主要任务。

这把”剪刀”就是人工核酸酶。20世纪90年代，锌指核酸酶（ZFNs）出现，该技术由锌指蛋白实现对DNA的识别，由核酸酶进行精准切割。经过十几年的发展，锌指核酸酶技术已应用于果蝇、斑马鱼、大鼠、小鼠等多种模式动物的遗传研究，成功实现了基因的修饰。2005年，它还首次实现了对人类细胞基因的定点修饰。然而，锌指核酸酶的精确度要建立在庞大的锌指表达文库之上，从中筛选出锌指蛋白，耗时费力，成本也高，因此没有得到大规模的应用。

另一把”剪刀”是类转录激活因子核酸酶（TALENs），理论上它可以实现对任意基因序列的编辑，原理与锌指核酸酶技术相似。虽然它在筛选、构建方面要容易一些，但同样比较繁琐，还可能引起机体免疫反应。

魏文胜指出，虽然锌指核酸酶、类转录激活因子核酸酶的使用门槛比较高，但是在一些领域如基因治疗中，仍然有重要的价值。

CRISPR为何火

CRISPR是一个平民化的”神奇剪刀手”，更便宜、更便捷、靶向更加准确

让基因编辑真正变得简便好用的，是一把叫CRISPR的基因”剪刀”。

细菌是在自然界分布最广、个体数量最多的有机体。和大多数生物一样，细菌也会受病毒感染，使其成为正常细菌的杀手–噬菌体。在漫长的进化过程中，细菌逐渐有了自己的应对之策–免疫系统。20世纪80年代末，研究人员在观测大肠杆菌时发现，在细菌基因的尾端，有一些看上去很奇怪的重复序列。这些序列随后被命名为成簇的规律间隔的短回文重复序列（CRISPR）。病毒性感染就像定时炸弹，在它”爆炸”之前，细菌只有很短的时间来处理，而CRISPR就是一个”拆弹专家”。

CRISPR是如何”拆弹”的？研究人员注意到，这些重复的序列之间总是由一些很古怪的间隔区（spacer）隔开，这些间隔区之所以看上去很古怪，是因为它们根本就不是细菌自身所有的东西，而是从噬菌体病毒的DNA上”剪”下来的小片段。简言之，细菌细胞产生CRISPR相关蛋白（Cas蛋白），在病毒入侵之后，Cas蛋白便会结合到病毒DNA上，从上面”剪”下一块病毒DNA，然后将其转运到细菌细胞的基因组，插入其中，使之成为一处”间隔区”。从此以后，细菌细胞便会利用这一间隔区来识别与之相对应的病毒，实现对病毒再次入侵的免疫应答。更神奇的是，CRISPR系统还可以将获得的部分DNA片段整合进基因组，形成记忆并遗传，从而可以保护后代的细胞免受病毒的攻击，就像随身带了一张基因的”疫苗接种卡”。

“科学家很快意识到，基于这种精确的靶向功能，CRISPR/Cas9系统可以被设计开发成一种高效的基因编辑工具，只要将被编辑的细胞基因组DNA看作病毒或外源DNA就可以了，从而使我们可以利用RNA（核糖核酸）来引导Cas9蛋白实现对多种细胞基因组的特定位点进行修饰。”黄志伟说。

在CRISPR/Cas9技术中，基因编辑的实现需要这两个工具–向导核糖核酸（gRNA）和Cas9蛋白，其中Cas9蛋白具有切割DNA片段的功能，可使DNA发生双链断裂，进而诱导细胞产生DNA 损伤修复。gRNA与Cas9蛋白结合在细胞中，会形成复合体，它会”检索”细胞中所有的DNA，找到与其内部gRNA的序列相对应的位点，然后连接，让Cas9蛋白质精确地把相关DNA”剪”掉，从而实现了对细胞中目标基因的编辑。”打个比方，CRISPR系统相当于一枚导弹，gRNA相当于它的引导部，而蛋白就相当于它的战斗部。剪切不同基因的时候，只要改变gRNA的序列就可以了。”黄志伟说。

与锌指核酸酶、类转录激活因子核酸酶技术相比，CRISPR技术显得非常”平民化”，它无物种限制、成本低、易上手、实验周期短、靶向更加准确，节省了大量的时间和成本。科学家希望用这种技术对人类的基因进行编辑，以达到治疗疾病的目的，同时也希望将这种技术用到作物的改良之中。

“事实证明，CRISPR技术非常强大，因为它改写的是底层的密码。”魏文胜说。横空出世的CRISPR/Cas9基因编辑技术被《科学》杂志评为2015年最重要的”突破性发现”，并被科学家认为是20世纪70年代以来最重要的基因工程技术。

基因编辑不能滥用

这一技术利器不能”为所欲为”，必须严格遵守相关原则和标准

大红大紫的CRISPR技术把基因编辑带到了”十字路口”。”首先是技术本身的问题。就CRISPR技术来说，虽然它很好用，但是基因’剪刀’并不是越锋利越好，既然它能够’中靶’，就同时存在’脱靶’的可能，’滥杀无辜’的情况不能完全避免。”魏文胜说。

更让科学家担心的是，由于人类基因组也可以成为CRISPR的编辑对象，与此相关的伦理和安全准则相对滞后，可能带来一系列的问题。比如”定制婴儿”，如果对人类的胚胎进行编辑，一些来自父母的遗传疾病可以被消除，父母缺乏的基因也可以被添加。

魏文胜认为，目前对一些技术的讨论还仅仅停留在理论的层面上，比如定制一个”高智商”的婴儿，影响人类智力的基因有很多，改变哪个基因或哪几个基因会提高人的智力？这方面的知识尚不具备，而伦理问题也确实需要谨慎。我们应该更多地关注技术的监管和引导问题，把技术引导到良性发展的轨道上来。

为此，美国科学院和美国医学院成立了由全球22位学者组成的人类基因编辑研究委员会，就人类基因编辑的科学技术、伦理与监管开展了全面的研究，并于今年2月向全世界正式发布其研究报告。报告指出，人类基因编辑这一技术利器不能”为所欲为”，必须”按规矩行事”，严格遵守相关原则和标准。

对于体细胞基因编辑，报告提出4条原则：利用现有的监管体系来管理人类体细胞基因编辑研究和应用，限制其临床试验与治疗在疾病与残疾的诊疗与预防范围内，从其应用的风险和益处来评价安全性与有效性，在应用前需要广泛征求大众意见。

报告还提出，各国可以参照本研究的成果与建议，结合自身国情及现有法律，来制定人类基因编辑的管理条例，甚至立法。黄志伟说：”技术本身的前景非常好，下一步相关的法律和制度也要跟上，保证在一定的框架内让基因编辑更好地服务于我们。”

“基因编辑技术如果使用不当，的确有可能造成一定的风险。”魏文胜表示，”但是从另一方面来看，正因为如此，才应该更多地去了解并掌握这项技术–我们对它的了解越多、越充分，才有更大的机会将它引导到正确的方向上来。” (基因宝jiyinbao.com）