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[学术文献 ] 布鲁克海文实验室通过CRISPR打造超级油料作物 进入全文
Plant Biotechnology Journal
2024年6月10日，Plant Biotechnology Journal（IF：13.8）在线发表了布鲁克海文实验室John Shanklin、Xiao-Hong Yu团队的最新研究成果：‘Creating yellow seed Camelina sativa with enhanced oil accumulation by CRISPR-mediated disruption of Transparent Testa 8’，本文通过CRISPR/Cas9技术改造亚麻荠，旨在创建具有增强油脂积累的黄色种子品种。作者确定了亚麻荠基因组中的三个TT8同源基因，其是一个参与调控类黄酮合成和种子颜色形成的转录因子编码基因。通过CRISPR介导的基因编辑方法在这些基因上引入了移码突变。TT8基因的破坏导致种子颜色从棕色转变为黄色，这与类黄酮含量减少高达44%以及种子外皮粘液层结构改变有关。这一发现表明，TT8基因的功能丧失不仅影响了色素沉积，还影响了种子的物理特性。转录组分析显示，与脂肪酸合成相关的转录因子LEC1、LEC2、FUS3和WRI1及其下游目标的表达显著增加。这些变化导致代谢重构，增加了脂肪酸合成率，并相应地增加了总脂肪酸(TFA)积累，从32.4%增加到高达38.0%的种子重量，并且三酰甘油(TAG)产量增加了21%以上，与亲本系相比，淀粉或蛋白质水平没有显著变化。通过CRISPR/Cas9技术敲除CsTT8基因，不仅增加了亚麻荠种子中的总脂肪酸和三酰甘油含量，还改变了脂肪酸的组成，特别是增加了单不饱和脂肪酸的比例。基因编辑前后亚麻荠种子中总脂肪酸(TFA)的含量变化。图1 a可以看到，在野生型(WT)种子中，TFA含量为32.4%。而在CsTT8基因敲除后的种子中，TFA含量显著增加，三个不同的突变系分别增加到37.5%，38.0%，和36.1%。基因编辑对种子中三酰甘油(TAG)含量的影响。图1 b可以看到，在野生型种子中，TAG含量为28.5%。敲除CsTT8基因后，TAG含量增加至最高34.6%，表明基因编辑显著提高了种子的油脂含量。编辑CsTT8基因后，观察到18:1（油酸）和18:2（亚油酸）脂肪酸含量显著增加，而18:3（亚麻酸）含量相应减少。这种脂肪酸组成的改变可能对油脂的营养价值和工业应用有重要影响。本研究证明了通过CRISPR/Cas9技术可以有效地创造具有高油含量的亚麻荠新品种。这些突变系可能直接有助于未来的净零碳能源生产，或与其他性状结合以高产量生产所需的脂质衍生生物产品。
[学术文献 ] 密苏里大学哥伦比亚分校利用单细胞测序分析大豆 进入全文
Plant Comunications
2024年6月6日，Plant Comunications 在线发表了密苏里大学哥伦比亚分校Marc Libault实验室题为Single-cell transcriptome atlases of soybean root and mature nodule reveal new regulatory programs controlling the nodulation process的研究论文，作者利用单细胞测序和Molecular CartographyTM技术，精确描述了大豆根系和成熟根瘤细胞的单细胞转录组特征，揭示了成熟大豆根瘤被重氮双歧杆菌（B. diazoefficiens）侵染后不同细胞亚群的共存模式，此外作者借助根瘤单细胞转录组图谱和相关基因共表达网络分析证实了已知结瘤相关基因在大豆结瘤中的作用，还鉴定到控制结瘤过程的新基因GmFWL3，并解析其功能。作者分别构建了大豆根系和被根瘤菌侵染28天后的（28-dpi）根瘤的单细胞转录组图谱，利用UMPA方法，分别将之分成16和11个细胞簇。结合前人已发表的根瘤菌侵染12天、14天和21天后的根瘤单细胞转录组数据，作者将根瘤发育过程中4个时间节点的单细胞转录组数据整合到一个UMAP中，随后借助28-dpi根瘤中的51个标记基因对这一UMAP进行功能注释，得到17个细胞簇。作者利用主成分分析评估了根瘤发育过程中不同细胞簇转录组水平的保守性，发现不同细胞簇的转录水平差异既被根瘤发育过程驱动，又被细胞簇驱动。利用多维缩放图 （MDS） 分析，作者发现 28-dpi 根瘤的大多数细胞簇在转录水平上与根系细胞簇不同，MDS 分析还表明细胞簇F和G有最独特的转录组特征，它们在转录水平上与细胞簇H不同。进一步通过比较转录组学分析，作者发现，细胞簇H参与了活性固氮过程，而细胞簇F和细胞簇G的转录组特征表明它们可能负责控制宿主范围限制和植物防御。通过比较大豆根瘤和蒺藜苜蓿根瘤的单细胞转录组特征，作者发现表明大豆根瘤细胞簇F&G和细胞簇H与蒺藜苜蓿的感染区II（簇4-5）和固氮区III具有相似的生物学功能。综上，作者认为大豆成熟根瘤的感染区至少有两个不同的细胞群：受感染但非固氮细胞的细胞簇F 和 G ，以及受感染且具有固氮能力的细胞簇 H。进一步评估构成根瘤感染区的细胞簇之间的分子异质性，并阐明控制这些细胞生物学的主要调控途径，作者对细胞簇F&G和H进行了基因调控网络分析（gene regulatory networks，GRN），结果表明根瘤感染区不同细胞簇间存在生化异质性。此外作者还发现了调控根瘤菌侵染过程的新基因GmFWL3，通过验证其生理功能，作者发现，植物质膜的微结构域能够调控根瘤菌对根瘤细胞侵染过程。
[学术文献 ] 以色列魏茨曼研究所通过基因组学等揭示致幻剂梅斯卡灵合成途径 进入全文
Molecular Plant
2024年6月3日，以色列魏茨曼研究所Asaph Aharoni团队在Molecular Plant 上发表题为“The biosynthetic pathway of the hallucinogen mescaline and its heterologous reconstruction”的研究论文。该研究通过基因组学，转录组学，体外反应等技术，揭示了仙人掌科植物合成梅斯卡林的生物合成途径。在本论文中，作者通过代谢测定发现很多进化距离远的仙人掌科植物，均可以合成梅斯卡林化合物, 暗示这一个合成途径在仙人掌植物中具有保守性。作者以合成梅斯卡林的仙人掌佩奥特（Lophophora williamsii）为研究对象，首先利用Pacbio HiFi从头组装了基因组（基因组大小 3.2G），并对它的不同组织进行了转录组测序分析。基于这个高质量基因组和转录组表达数据，进行进一步的关键基因功能鉴定。基于梅斯卡林的化学结构含有苯环，甲基和氨基，研究人员主要集中在四个酶家族，分别是酪氨酸脱羧酶（L-tyrosine/LDOPA, TyDC), 细胞色素P450氧化酶（CYP）, 多酚氧化酶（polyphenol oxidase ，PPO), 和甲基转移酶（methyltransferases ，MTs)。在仙人掌佩奥特基因组中，共含有5个TyDC, 270个CYP，3个PPO和350个MT蛋白。根据梅斯卡林合成的组织，挑选了在表皮和叶肉中高表达，而在根部低表达的基因。结合已知同源基因的功能，研究人员首先发现一个LwTyDC2负责L-tryosine和L-DOPA的脱酸反应。接着，根据类似的策略，又发现一个CYP76AD家族成员LwCYP76AD131负责tyramine的羟化反应。最后，发现了两类的O-甲基化酶（OMT）通过2步甲基化修饰，生成梅斯卡林。本研究通过化学谱图分析、酶学分析、分子建模和代谢工程相结合，确定了控制梅斯卡林生物合成的六步合成酶和催化反应。简单来说，底物L-Tyrosine通过LwTyDC2脱羧酶生成Tyramine。然后P450加氧酶LwCYP76AD131 催化Tyramine生成Dopamine，接着Dopamine被LwOMT1（或者LwOMT5）催化生成3-Methoxy-tryramine，并被LwCYP76AD131进一步加氧生成3,4-Dihydroxy-5-methoxy-phenethylamine。最后，在LwOMT1(或者LwOMT5)和LwOMT10（或LwOMT11）的依次O-甲基化下，最终生成梅斯卡林。值得一提的是，作者还发现了LwNMT1还能对梅斯卡林的甲基化修饰。该酶可能用于调节仙人掌植物中的梅斯卡林水平。综上，本研究通过植物基因组从头组装，转录组分析和关键酶鉴定，系统解析了仙人掌植物中致幻化合物梅斯卡林的生物合成途径，为将来应用这一天然致幻剂治疗精神疾病如抑郁症提供了可能。本研究鉴定的4类催化酶也为通过合成生物学手段合成类似重要化合物提供了元件。
[前沿资讯 ] 北京理工大学基于迁移学习生成物种特异性启动子方面取得进展 进入全文
科微学术
近日，北京理工大学霍毅欣教授与郭淑元教授团队在Nucleic Acids Research发表论文，题为“Species-specific design of artificial promoters by transfer-learning based generative deep-learning model”。该工作在物种数据集较少的条件下，训练了较高质量的生成模型PromoGen，用于从头生成物种特异性启动子。启动子是在转录水平上调节基因表达的关键元件，能够启动基因转录、调节基因表达，并影响代谢途径中的代谢流分布。尽管天然启动子已被用于基因调控，但其缺乏连续的调控强度和广泛的调控范围。目前，深度学习在蛋白质设计、调控元件生成等领域已经取得了一定的进展，但是在数据集缺乏的条件下还不能生成质量较高的调控元件。为了解决原核生物启动子数据量不足的问题，团队基于迁移学习的策略，开发了一系列核苷酸语言模型 PromoGen，用于在数据缺乏的条件下从头生成物种特异性的启动子。通过位置权重矩阵、6聚体频率相关性和 -10 区域分布分别对枯草芽胞杆菌(Bacillus subtilis)的PromoGen-bsu模型生成启动子的能力进行分析。并对PromoGen-bsu生成的启动子进行湿实验验证，结果表明72.7%的生成启动子的启动活性高于天然启动子PlepA的3倍，18%的启动子与天然强启动子活性水平相当。为了证明迁移学习策略的有效性，分别使用27个物种的启动子的数据，在PromoGen-pre上对其进行微调，得到了27个物种的生成模型。并对所有的模型进行预训练和微调性能评估，微调后32%的模型相关性超过0.8。此外，团队开发了一个在线平台（https://promogen1.cloudmol.org/），该平台针对27种原核生物提供了微调后模型来从头生成启动子。
[学术文献 ] 中科院拓宽基因工程工具箱后生动物基因组揭示新活性DNA转座子 进入全文
Cell
2024年6月5日，中国科学院动物研究所张勇及王皓毅共同通讯在Cell 在线发表题为“Heterologous survey of 130 DNA transposons in human cells highlights their functional divergence and expands the genome engineering toolbox”的研究论文，该研究从102个后生动物基因组中预测了130个活性DNA TEs，并评估了它们在人类细胞中的活性。在20世纪40年代，Barbara McClintock发现了第一个转座因子(TE)，由一对DNA转座子组成，其中包含末端倒置重复序列(TIR)、自主Ac和非自主Ds。McClintock发现TEs通过影响邻近基因的表达作为“控制元件”，通过诱导宿主基因组的变化作为诱变剂。在随后的70年里，该领域经历了一次扩展，发现TE几乎存在于所有真核生物基因组中。在各种类型的TEs中，DNA TEs包括许多超家族，如以Ac/Ds为创始成员的hAT和Tc1/mariner。DNA TEs对宿主的贡献已经引起了广泛的兴趣，它们在各种重要途径中被驯化。同时，从转座活性的潜在因素、进化动力学和基因组工程工具的发展等三个角度对DNA TEs进行了研究。尽管这些研究的规模有限，但它们提供了基本的知识。首先，研究了转位的编码和非编码决定因素。残基包括D(天冬氨酸)，D和E/D(谷氨酸)已被确定为催化核心。TIR由转座结合，一些Tc1/mariner元件在每个TIR (IR-DR)内具有两个不完全直接重复(DR)作为结合位点的特征结构。其次，DNA TEs被认为经历了“水平转移、垂直失活和随机丢失”。自主TE侵入宿主后，会抑制和积累失活突变。此外，包括微型倒置重复TEs(MITEs, 50-800 bp内部缺失的非自主TEs)在内的非自主TEs。由于TIRs的存在和它们的小尺寸而有效地竞争由相关自主TEs编码的转座酶。第三，多种DNA TEs已经发展成为多种应用的工具，包括插入诱变和转基因。其中，Tc1/mariner超家族的Sleeping Beauty(SB)和piggyBac超家族的piggyBac (PB)最受关注。随着编码和/或非编码序列的广泛优化，活性变异(如SB100X)已被开发为有效的非病毒载体。基于SB100x的嵌合抗原受体(CAR) T细胞疗法已被用于治疗血液肿瘤。显然，对少量DNA TEs的偏向和实验研究的异质性使得很难确定TE超家族或家族的一般规则。具体来说，DNA TEs在人细胞中异源表达后的转座活性仍然是不可预测的。进化特征(如超家族类型)和序列特征(如IR-DR)如何影响转位在很大程度上是未知的。在进化动力学方面，虽然已经有报道将MITEs扩增为自主TE的缺失衍生物，但TE超家族是否与MITEs普遍相关尚不清楚。此外，基于TEs的具有多种功能特征的基因组工程工具，特别是有效治疗血液病和实体瘤的高效CAR-T载体，仍然不发达。该研究发现了40个活跃的(整合能力强的)TEs，超过了之前发现的累计数量(20个)。通过这些统一的比较数据，发现Tc1/mariner超家族表现出较高的活性，这可能解释了它们普遍存在的水平转移。TEs的进一步功能表征显示了插入偏倚等特征的额外差异。值得注意的是，在血液和实体肿瘤的CAR-T治疗中，TE鉴定的最活跃的DNA Mariner2_AG (MAG)在很大程度上优于两种广泛使用的载体，慢病毒载体和基于TE的载体SB100X。总的来说，该研究强调了DNA TE的不同转位特征和进化动力学，并增加了TE工具箱的多样性。
[学术文献 ] 山东农大构建了玉米叶枕的单细胞转录组图谱 进入全文
Molecular Plant
2024年6月3日，山东农业大学生命科学学院李刚教授团队与北京大学现代农业研究院李博生研究员团队在Molecular Plant发表题为：Histological and single-nucleus transcriptome analyses reveal the specialized functions of ligular sclerenchyma cells and key regulators of leaf angle in maize的研究论文。本研究通过组织学和单核转录组分析，揭示了玉米叶枕（LA）调节中特殊功能和关键调控因子。研究发现LA形成受两个步骤的调控过程显著影响：首先是细胞伸长，然后是随后的厚壁木素细胞（SCs）的木质化。通过大量和单核RNA测序，研究者们生成了详尽的转录组图谱，并鉴定了在低表皮细胞中富集的基因，这些基因可能影响它们分化为SCs。此外，功能特征化了两个编码非典型基本螺旋-环-螺旋（bHLH）转录因子的基因，bHLH30及其同源基因bHLH155，它们在伸长的腹侧细胞中高度表达，并正向调控LA扩展。这一研究不仅加深了人们对玉米叶夹角建成和株型调控的理解，还为耐密理想株型的遗传改良提供了潜在的靶点，具有重要的理论价值和实践意义。
