基因新闻 第52页

2018年9月26日/生物谷BIOON/—在两项新的研究中，来自美国和和欧洲的研究人员使用两种基因编辑方法来校正活小鼠中的线粒体突变。相关研究结果于2018年9月24日在线发表在Nature Medicine期刊上，论文标题分别为“MitoTALEN reduces mutant mtDNA load and restores tRNAAla levels in a mouse model of heteroplasmic mtDNA mutation”和“Genome editing in mitochondria corrects a pathogenic mtDNA mutation in vivo”。这些研究结果表明两种基因编辑工具—转录激活子样效应因子核酸酶（TALEN）和锌指核酸酶（ZFN）—可能有朝一日能够治疗人类所患的某些线粒体疾病。

线粒体DNA（mtDNA）中发生的致病性突变会导致从肌肉无力到心脏病的症状，而且在每5000名成年人中，大约就有1人会发生这样的致病性突变。虽然三亲体外受精（three-parent IVF）—一种有争议的方法，它除了使用母亲的卵核和父亲的精子之外，还使用了第三人的线粒体—已被提出作为一种避免mtDNA突变遗传的方法，但是当前还没有治疗出生时就携带着这种缺陷的人的方法。美国梅约诊所分子遗传学家Stephen Ekker （未参与这两项研究）表示，“这在很大程度上是一种未得到满足的需求。”

CRISPR基因编辑技术在对细胞核DNA中发现的突变进行编辑方面取得了快速进展，但是科学家们很难将这种相同的技术应用于线粒体DNA，这是因为线粒体似乎不会摄取让CRISPR系统靶向合适序列的向导RNA（gRNA）。在这两项新的研究中，研究人员使用了较老的不需要gRNA的基因编辑方法。

在第一项研究中，来自美国迈阿密大学的Carlos Moraes及其同事们将含有靶向线粒体的TALEN（mitochondrial-targeted TALEN, MitoTALEN）的腺相关病毒（AAV）注射到携带着mtDNA突变的小鼠肌肉中。在六个月后，小鼠肌肉组织中的突变mtDNA的水平下降了50％以上—低于通常与线粒体疾病的症状相关的水平。

在第二项研究中，在由英国剑桥大学的一个研究小组领导下，研究人员将含有靶向线粒体的ZFN（mitochondrially targeted zinc-finger nuclease, mtZFN）的AAV病毒注射到小鼠的尾静脉中，从而被系统性地运送到心脏中。仅两个多月后，突变mtDNA的水平在心脏组织中下降了大约40％。

美国哥伦比亚大学欧文医学中心线粒体生物学家Martin Picard（未参与这两项研究）表示，“这些都是非常出色的发现，使得人们可能考虑在人类身上做到这一点。”据报道，这两个研究团队均计划开展临床试验。（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Sandra R. Bacman, Johanna H. K. Kauppila, Claudia V. Pereira et al. MitoTALEN reduces mutant mtDNA load and restores tRNAAla levels in a mouse model of heteroplasmic mtDNA mutation. Nature Medicine, Published Online: 24 September 2018, doi:10.1038/s41591-018-0166-8.

Payam A. Gammage, Carlo Viscomi, Marie-Lune Simard et al. Genome editing in mitochondria corrects a pathogenic mtDNA mutation in vivo. Nature Medicine, Published Online: 24 September 2018, doi:10.1038/s41591-018-0165-9.

2018年10月15日 讯 /生物谷BIOON/ –CDK1是一种正常蛋白，其能够推动细胞通过复制周期，而MHC 1类分子也是一种正常分子，其能在细胞表面呈现出少量蛋白质以供免疫系统检查；近日，一项刊登在国际杂志Cancer Research上的研究报告中，来自科罗拉多大学癌症中心的科学家们通过研究发现，被MHC 1类分子和高水平CDK1标记的一类癌细胞表现地极不寻常，实际上高水平的MHC 1类分子和CDK1常常是某些疾病发生的关键，比如黑色素瘤、胰腺癌和结肠癌等，事实上，这些细胞可能是科学家们长期以来寻找的癌症干细胞，一旦癌症患者治疗结束，这些细胞就会对化疗产生耐受，并且重新播下癌症的种子。

图片来源：en.wikipedia.org

通常情况下，癌症研究者们会培育肿瘤，然后寻找哪些药物或遗传改变会促进肿瘤生长或萎缩，然而当前研究中，研究人员并不想让肿瘤的尺寸发生改变，而是寻找到底是哪些因素首先会促进肿瘤的生长。为了回答这个问题，研究人员利用患者样本、小鼠模型以及公共的遗传数据进行研究来在细胞中寻找能够引发黑色素瘤、胰腺癌和结肠癌的遗传共性。

首先研究者对MHC 1类分子进行研究，这种分子位于人类细胞表面，其功能类似于挥舞旗帜的手，当该分子挥舞旗帜（实际上会展现少量蛋白质）时，免疫细胞就会将这种细胞视为异物并且对其进行攻击，基于这一原因，很多癌细胞都会降调MHC来成功躲避宿主机体的免疫系统。文章中，研究者发现，能够开启新生肿瘤形成的一类癌细胞并不会降调MHC 1类分子。

医学博士Mayumi Fujita表示，这些癌细胞或许还有另外一条路径来躲避机体免疫系统，保留MHC 1类分子的癌细胞同样也会保留健康细胞的特性，即携带CDK1分子，该分子是细胞周期的主要调节子，细胞能通过复制周期来不断进展，如果没有CDK1分子其就无法完成该过程，而且CDK1分子越多，黑色素瘤细胞开启新生肿瘤形成的速度就越快。

研究人员还想知道为何CDK1分子能够不仅控制细胞周期，还能控制细胞的干性（stem-ness），随后研究者发现，Sox2是一种能帮助胚胎干细胞和神经干细胞维持其干性的特殊转录因子，同时其还是癌症干细胞的标志物，与25种不同形式的疾病发生有关，尽管Sox2被认为是癌症驱动子，但研究人员依然认为该分子是一个非常困难的作用靶点。目前研究人员很难控制诸如Sox2这样的转录因子，Sox2对于肿瘤发生非常重要，但很难寻找到一种Sox2抑制子；这项研究中，研究者发现，CDK1能够直接与Sox2相互作用来维持癌细胞的特性，如果CDK1能够通过相互作用来控制Sox2的功能，这样研究人员或许就能通过靶向作用CDK1或干预CDK1- Sox2相互作用的方式来抑制Sox2的功能。

更重要的是，MHC 1类分子、CDK1和Sox2的特性在黑色素瘤、结肠癌和胰腺癌中都非常常见，这就提示，多种类型癌症中的癌症干细胞或许拥有共同的特性。最后研究者Fujita表示，我们并不能说所有的肿瘤类型都拥有这样的特性，但这种特性至少是非常流行的，而且这种表型在黑色素瘤、胰腺癌和结肠癌中都非常常见。下一步研究人员希望通过更为深入的研究来阐明通过CDK1介导的Sox2的调节机制，同时研究者还希望能够发现新的靶点来有效阻断Sox2的活性。（生物谷Bioon.com）

原始出处：

Dinoop Ravindran Menon, Yuchun Luo, John J. Arcaroli, et al. CDK1 interacts with Sox2 and promotes tumor initiation in human melanoma, Cancer Research (2018). DOI: 10.1158/0008-5472.CAN-18-0330

近日，中科院昆明植物研究所研究员高立志研究组以一年生云南大叶茶苗为研究材料，采用代谢组学和转录组学相结合的技术手段，对不同氮水平和氮形态下生长一定时期的茶苗的生理指标、代谢物积累和基因表达模式进行了深入的研究分析。研究发现，不同氮条件处理下，茶叶中黄酮类物质的积累及其相关基因的表达模式都表现出最为显着的差异。该研究成果发表于《农业与食品化学》期刊。

中国是世界主要产茶国之一，在实际生产中，合理使用氮肥不仅能够增加茶叶的产量，而且能够提高茶叶中氨基酸、嘌呤类生物碱等化合物的含量，改善茶叶品质。前人研究表明，不同氮水平和氮形态对茶叶中代谢物的积累模式的影响具有显着的差异，但是其中的调控机理仍不清楚。

研究发现，缺氮条件下（ND），茶树大量积累黄酮类物质，研究组推测这与ND中黄酮类物质合成基因的高表达密切相关。与缺氮茶苗相比，提供氮元素的茶苗叶片中显着富集脯氨酸、茶氨酸和谷氨酰胺，尤其是在铵态氮处理的茶苗叶片中最为明显。研究人员进一步分析发现，作为耐铵和喜铵植物，在铵态氮处理的条件下，茶树通过高效的氮吸收、运输和同化以及活跃的蛋白质降解过程，大量富集茶叶风味物质茶氨酸以适应过量的铵离子，避免伤害。

该研究为全面揭示不同氮水平和氮形态对茶叶中风味物质积累模式的调控机理奠定了重要基础。相关研究工作得到了国家自然科学基金、云南省应用基础研究计划、云南省创新团队等项目的支持。(生物谷Bioon.com）

2019年1月14日 讯 /生物谷BIOON/ –基因中包含多种机体细胞、组织和器官维持功能所需要的信息，基因的表达会像流水线一样被彻底控制着，一个接着一个发生；近日，一项刊登在国际杂志Molecular Cell上的研究报告中，来自巴塞罗那基因调控中心等机构的科学家们通过研究发现了一种控制癌症中某些基因表达的重要步骤；研究者指出，乳腺癌细胞需要特殊的修饰来表达一系列细胞增殖和肿瘤进展所需的基因，这种修饰能促进RNA聚合酶II克服暂停障碍并继续转录这些基因。

图片来源：blogs.newcastle.edu.au

癌细胞很乐意快速增殖，而参与细胞分裂和增殖的基因也会变得非常活跃，通常会高度表达；而这种精密细致的“机器”需要多种不同分子的参与才能正常工作，当表达增殖基因的所有机器都准备好时，其会等待一种特殊的修饰才能开启功能，就好像比赛中要求运动员做好准备一样，在这种情况下，聚合酶也会做好准备，但仍然需要后期的修饰来跨越转录的屏障。

研究者Miguel Beato表示，从基础科学的角度来讲，解析这一过程中的每一个步骤和所有参与者都是非常重要的，如今我们能够理解基因调节的复杂机制的工作原理，这或许能为临床研究人员提供一种新型的靶点来帮助研究特定类型癌症的新型疗法。

这项研究中，研究人员描述了RNA聚合酶II羧基末端结构域通过PADI2酶所进行的一种新型修饰方式，即精氨酸的脱亚氨基作用(de-imination)，酶类PADI2能促进聚合酶转录癌细胞生长相关的基因的表达。最后Beato说道，大部分化疗的目标都是阻断酶类的活性，但我们知道，PADI2能够参与到许多机体不同的过程中去，包括神经系统、免疫反应和炎症等，因此，抑制PADI2或许会产生多种副作用，本文研究结果也能帮助研究人员针对PADI2对肿瘤进展所需的RNA聚合酶发挥特定作用，而并不需要全面阻断该酶的功能。（生物谷Bioon.com）

原始出处：

Priyanka Sharma, Antonios Lioutas, Narcis Fernandez-Fuentes, et al. Arginine Citrullination at the C-Terminal Domain Controls RNA Polymerase II Transcription. Molecular Cell, 2019; 73 (1): 84 DOI: 10.1016/j.molcel.2018.10.016

2019年1月28日/生物谷BIOON/—由于颅骨原基（skull primordia, 发育中的头骨）中成骨细胞（osteoblast）的迁移和分化缺陷，囟门（fontanelle）增大和前额骨（frontal bone）变小可导致颅骨遭受机械损伤。Wnt/PCP信号通路通常在胚胎发育期间调节组织中的细胞迁移和运动。在近期的一项研究中，美国匹兹堡大学牙医学院颅面再生中心的Yong Wan及其同事们着重研究了Prickle1基因，即颅骨中Wnt/PCP信号通路的一个核心组分。

在这项研究中，Wan等人使用了Prickle1的错义等位基因，即Prickle1Beetlejuice（PrickleBJ）。纯合的PrickleBJ/BJ ‘Beetlejuice’突变小鼠（也称为小鼠突变体，突变型小鼠）是小头畸形的，并且在未充分发育的额骨之间形成增大的囟门，不过顶骨（parietal bone）是正常的。这些纯合突变小鼠具有其他几种颅面缺陷，包括中线唇裂，不完全渗透性腭裂和头部近端-远端生长减少。他们在这些纯合突变小鼠的额骨凝聚区中观察到下降的Wnt/β-catenin和Hedgehog信号转导。相关研究结果已发表在Scientific Reports期刊上。

在这些纯合突变小鼠中，额骨成骨细胞前体细胞（osteoblast precursor）经历了延迟分化和下降的迁移标志物表达，从而导致额骨发育不全。Wan等人发现Prickle1蛋白功能有助于骨形成细胞（即成骨细胞前体细胞）的迁移和分化，并且在这种突变动物模型中，它的缺失会导致缺陷。纯合突变小鼠（PrickleBJ/BJ）出现心脏流出道错位和腭裂，从而导致突变小鼠的围产期死亡。因此，这些表型特征是从胚胎早期阶段到胚胎晚期阶段观察到的。

从本质上讲，颅面复合体（craniofacial complex）包含三个不同的区域：颅骨穹窿（skull vault）、颅底（cranial base）和面部。颅底骨骼通过软骨内骨化（endochondral ossification）形成，而颅骨穹窿中的骨生成通过膜内骨化（intramembranous ossification）发生。颅骨穹窿和颅底都是胚胎起源的（起源自神经嵴或中胚层）。

在这种研究模型中，Beetlejuice突变小鼠（Bj）的Prickle1基因含有点突变（C161F），Bj C161F突变对细胞质蛋白Prickle1的功能有害。人体内这种蛋白发生的突变通常与家族性癫痫有关。这种突变体表型与Prickle1的另一个独立点突变（C251X）一致，包括肢体发育不良和腭裂。尽管这个基因的蛋白产物在细胞质中广泛表达，但是人们对它在颅面骨生成中的作用知之甚少。

在这项研究中，Wan等人使用阿尔新蓝（alcian blue）和茜素红（alizarin red）组织学染料分析头部的骨骼和软骨。这种纯合突变小鼠的头骨较小，而且头部的近端-远端长度随着颅骨侧方宽度的增加而减小。这些结果表明在野生型小鼠（Prickle+/+）中，鼻骨（nasal bone）对颅骨穹窿总长度的贡献在统计学上显著减少。

相反，在纯合突变小鼠（PrickleBJ/BJ）中，额骨对头部总近端-远端长度的贡献增加了，而顶骨作出的贡献比例保持不变。总之，这些结果表明额骨发育的各个阶段都需要Prickle1蛋白功能。

Wan等人通过研究这种蛋白在野生型小鼠胚胎和突变小鼠胚胎中的组织分布，着重关注Prickle1在发育中的颅骨穹窿中的功能。他们发现Prickle1突变导致额骨发育过程中的两个过程存在缺陷，包括延迟的成骨细胞分化和它们在额骨中的迁移减少。在锁骨颅骨发育不良（cleidocranial dysplasia, CCD）的表型谱中，也观察到这些额骨缺损。

这种观察到的额骨功能不全可能是由于增殖缺陷和细胞死亡造成的。Wan等人使用苏木精和伊红（H＆E）组织学染料进行了研究，并通过观察野生型小鼠与突变型小鼠在胚胎阶段第12.5周（embryonic stage 12.5, E12.5）时的额骨凝聚区来测试这个假设，这是因为额骨凝聚区通常会在E12.5时形成。此后，他们进行了TUNEL凋亡测定，测定结果表明在不论是野生型还是突变型，存在着非常少的凋亡细胞。

这项研究包括对突变小鼠与野生型小鼠进行BrdU标记细胞计数，计数结果显示增殖细胞所占的比例也没有差异。随后利用磷酸-组蛋白H3免疫组织化学方法对活跃分裂细胞的数量进行测试，结果表明在同窝出生的小鼠中，分裂细胞的数量不存在差异。鉴于细胞死亡和增殖没有变化，Wan等人接下来决定测试成骨分化（osteogenic differentiation）是否正确发生。

为此，Wan等人进行了RNA原位杂交实验，以评估额骨中的前成骨细胞（pre-osteoblast）和成骨细胞内的碱性磷酸酶（ALP）和Osterix（OSX，也称为Sp7）表达。他们检测到RUNX2和ALP的表达，其中RUNX2是额骨中成骨细胞定向分化的早期标志物，ALP是更成熟的成骨细胞的标志物。到胚胎阶段第15.5周（E15.5）时，与野生型同窝出生小鼠相比，突变小鼠额骨外颅层中的Runx2、ALP和OSX表达下降了。他们确定额骨中延迟的膜内骨化（间充质组织转化为骨）会导致发育不良的Beetlejuice突变体。

Wan等人通过研究小鼠突变体中经典Wnt和Hedgehog信号转导的水平，进一步确定存在缺陷的信号转导系统是否导致延迟的额骨骨生成。这些结果表明颅骨发育所需的Hedgehog信号转导的水平确实在突变小鼠中是有缺陷的。

最后，他们在野生型和突变型同窝出生小鼠中进行了成骨细胞迁移标志物的原位杂交（标志物为Engrailed1、Twist1、Msx1和Msx2）实验。在突变小鼠额骨原基中的标志物表达水平下降了。这些结果表明在颅骨穹窿发育的各个阶段，Prickle1蛋白功能是介导成骨细胞前体细胞迁移所必需的。

通过这种方式，Wan等人分析了作为了解小头畸形病因的一种新模型的Beetlejuice突变小鼠。目前用于确定小头畸形中面部和颅骨生长模式的动物模型的数量是有限的。他们在研究中将与Prickle1突变体相关的遗传、分子和物理机制结合在一起，发现这些Prickle1突变体导致这种新小鼠模型中的颅面部区域生长下降。

他们将继续开展研究以便了解细胞迁移和每个区室（脑部、颅骨穹窿和颅底）的改变如何导致小头畸形、颅骨模式化和生长。（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

1.Yong Wan et al. Prickle1 regulates differentiation of frontal bone osteoblasts, Scientific Reports (2018). DOI: 10.1038/s41598-018-36742-0

2.Osteogenesis: The Development of Bones. 

3.Shiqin Zhang et al. Dose-Dependent Effects ofRunx2on Bone Development, Journal of Bone and Mineral Research (2009). DOI: 10.1359/jbmr.090502

4.Angel Pan et al. A review of hedgehog signaling in cranial bone development, Frontiers in Physiology (2013). DOI: 10.3389/fphys.2013.00061

5.S Mundlos et al. Mutations Involving the Transcription Factor CBFA1 Cause Cleidocranial Dysplasia, Cell (2004). DOI: 10.1016/S0092-8674(00)80260-3

2019年2月11日/生物谷BIOON/—人类将近三分之一的时间都在睡眠，但是睡眠仍然是生物学中最持久存在的谜团之一。迄今为止，科学家们还不知道是什么遗传或分子力量促使人们需要睡眠。在一项新的研究中，来自美国宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院的研究人员通过研究12000多种果蝇品系，发现了一个称作nemuri的基因增加了对睡眠的需求。相关研究结果发表在2019年2月1日的Science期刊上，论文标题为“A sleep-inducing gene, nemuri, links sleep and immune function in Drosophila”。

作为一种抗菌肽（antimicrobial peptide, AMP），NEMURI蛋白以其固有的抗菌活性抵抗细菌。它由大脑中的细胞分泌，在感染后促进长时间的深度睡眠。

论文通讯作者、宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院时间生物学项目主任、神经科学教授Amita Sehgal博士说，“虽然人们普遍认为睡眠和疾病治愈是密切相关的，但是我们的研究直接将睡眠与免疫系统联系起来，并为患病期间睡眠如何增加提供了一种可能的解释。”

如果缺乏nemuri基因，果蝇在日常睡眠中更容易被唤醒，并且它们对因睡眠剥夺或感染而增加睡眠的迫切需求也减少了。另一方面，增加睡眠需求的睡眠剥夺，以及在某种程度上，感染，都会促进nemuri在靠近大脑中一个已知的睡眠促进区域的一小群果蝇神经元中表达。与未感染的对照果蝇相比，nemuri过表达增加了受到细菌感染的果蝇的睡眠并导致它们的存活率增加。

为了应对感染，NEMURI似乎可以杀死细菌，最有可能是在果蝇身体的外围部分发生的，并通过它在大脑中的作用来增加睡眠。这些研究人员表示，类似NEMURI这样的多种分子具有多种有助于抵抗感染的功能，不过它的睡眠促进作用可能对宿主防御同样重要，这些因为在患病期间，睡眠增加可促进果蝇的存活。

更重要的是，这些研究人员还指出，诸如IL-1之类的细胞因子与人类睡眠有关。IL-1的作用途径与AMP相同，它在长时间的清醒后累积并且似乎促进睡眠。在哺乳动物中，细胞因子能够诱导AMP产生，但是AMP也可能影响细胞因子的表达。鉴于这种相互交织的关系，这些研究人员得出结论：NEMURI是免疫功能和睡眠之间的一个工作环节。

论文第一作者、Sehgal实验室博士后研究员Hirofumi Toda博士说，“在较高的睡眠需求的情形下，比如当我们生病时，NEMURI蛋白是保持正常睡眠的真正驱动力。在我们的研究工作的下一个阶段，我们计划研究NEMURI促进睡眠的作用机制。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

H. Toda el al. A sleep-inducing gene, nemuri, links sleep and immune function in Drosophila. Science, 2019, doi:10.1126/science.aat1650.

G. Oikonomou el al. Linking immunity and sickness-induced sleep. Science, 2019, doi:10.1126/science.aaw2113.

据香港《星岛日报》报道，日前，一个国际科研团队破解了大白鲨的全基因组，发现其依靠在进化过程中产生的基因序列变化，获得了一种抗癌能力，寿命可长达七十岁。

美国诺瓦东南大学和康奈尔大学的研究人员18日在美国《国家科学院学报》发表论文说，大白鲨体型庞大，身长五至六米，体重可超过三吨，寿命可能超过七十岁，而其基因组大小是人类的1.5倍。

理论上说，寿命长久及体型大而造成的细胞数量增加，会在统计学上增加动物患癌的概率。但实际上，大体型动物患癌的概率并不比人类更高，这表明它们进化出了抗癌机制。

研究人员发现，大白鲨体内许多和保持基因组稳定相关的基因的特定脱氧核糖核酸(DNA)序列发生了变化，这显示了一种分子层面的适应性。

这种适应性又被称为正向选择，是一种基因的防卫机制，可防止DNA损伤累积，从而防止人类患上癌症和各种老年性疾病。

研究人员在其与DNA修复、损伤应激和耐受相关的基因上，都观察到了这种基因序列的适应性。他们认为这种适应性有助于大白鲨形成高效的DNA损伤修复机制，并增加保持基因组稳定的基因丰度。

研究显示，这种适应性的改进还使大白鲨伤口得以快速愈合和修复。

论文作者之一、诺瓦东南大学海洋生物学教授斯夫杰说，基因组不稳定性与多种严重人类疾病有关，如今大自然进化出一种聪明的策略，让体型巨大、长寿的鲨鱼保持基因组稳定，解读其背后的讯息有助于开发出新的抗癌、治疗老年性疾病及加速伤口愈合的方法。(生物谷Bioon.com）