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[学术文献 ] 武汉大学构建功能核酸构架平台策略揭示微生物互作机制 进入全文
Science Advances
2024年12月13日，武汉大学化学与分子科学学院袁荃教授团队在Science Advances发表题为“Framework nucleic acid strategy enables closer microbial contact for programming short-range interaction”研究论文。自然界中，生命体都不是孤立存在的，而是通过密集的细胞相互作用连接在一起，形成复杂的生态相互作用网络。这种细胞相互作用在细胞间信号传递以及疾病发生发展等过程中扮演了至关重要的角色。微生物大多是结构简单的细胞，遍布于深海、土壤、空气、动植物等地球的各个角落，是最早的生命形式之一。由黏附素等内源性化学分子介导的细胞种内或种间相互作用是驱动其群落结构和功能的关键。这种相互作用在地球化学循环、生态环境演变、生命健康等领域均扮演了至关重要的角色。精准编码并探索微生物种内或种间相互作用，有助于深入理解微生物群落功能与行为，对揭示微生物相互作用与疾病发生发展之间的关系，指导微生物代谢调控等具有重要意义。作为编码所有生命形式信息的化学分子，核酸具有易于合成、结构可预测、灵活可编程等优点，可以在纳米尺度上编程执行特定的功能，引起了研究者的广泛关注。基于核酸分子独特的性质与功能，通过自组装策略，研究团队发展了一种功能核酸纳米框架平台，该平台结合了四个功能模块，包括特异性靶向识别模块、空间距离调控模块、钥匙-锁链接模块、光学报告模块。通过灵活的调控靶向核酸分子序列以及核酸四面体框架大小，可实现微生物相互作用的特异性精准编码。利用所构建的功能核酸纳米框架平台，该研究以铜绿假单胞杆菌种内相互作用为研究模型，结合转录组学等分析手段，发现铜绿假单胞杆菌种内空间组装可作为群体感应表面传感的菌毛、鞭毛蛋白的表达，提高铜绿假单胞杆菌响应群体感应信号分子高丝氨酸内酯响应的能力，进而促进了铜绿假单胞杆菌群体感应信号通路的进行，诱导毒力因子包括绿脓素、碱性蛋白酶、鼠李糖的产生。这种基于微生物间相互作用产生的毒力因子代谢异质性使得其对人体肺泡细胞促炎免疫因子的产生同样具有不一样的影响。此外，利用所构建的功能核酸框架平台，该研究成功编码了更为复杂的铜绿假单胞杆菌-大肠杆菌种间相互作用模型。总的来说，此研究所提出的功能核酸框架平台策略有望为编码复杂的相互作用提供新的思路，为揭示不同类型的微生物相互作用及代谢空间异质性机制研究提供技术支撑，有望用于功能性多细胞体系设计以及疾病治疗等应用领域。
[学术文献 ] 中科院动物所发现蚜虫共生菌重要机制 进入全文
PNAS
2024年12月10日，中国科学院动物研究所孙玉诚研究组在美国科学院院刊PNAS上发表题为“A complete DNA repair system assembled by two endosymbionts restores heat tolerance of insect host”的研究论文，发现蚜虫兼性共生菌Serratia通过与初级共生菌Buchnera形成互补的DNA错配修复系统，降低初级共生菌基因组的突变发生频率，提高热胁迫下小热激蛋白ibpA的转录效率，抑制菌胞细胞骨架actin发生变性聚集，从而增强蚜虫种群的高温耐受力。研究发现，Buchnera编码的小热激蛋白ibpA是维持菌胞热稳定性和蚜虫高温耐受力的关键蛋白。在蚜虫经历热胁迫后，ibpA与菌胞的细胞骨架actin发生互作，避免actin变性聚集，从而提高菌胞热稳定性。然而，ibpA启动子区连续11个腺苷酸极易发生单核苷酸缺失突变，不利于ibpA的热诱导表达。兼性共生菌Serratia的侵染可以显著降低Buchnera基因组中的突变频率，抑制ibpA启动子区单核苷酸缺失的产生，从而维持ibpA热诱导效率，提高蚜虫的高温适应性。进一步研究表明Serratia编码的DNA错配修复核心蛋白mutH，能够弥补该基因在Bucherna基因组中的缺失，进入菌胞与Buchnera编码的错配修复关键蛋白mutL和mutS组建完整的、有活性的DNA修复系统。借助这种异源组建的错配修复系统，识别和矫正Buchnera DNA复制过程中的错配，有效降低SNP和Indel出现的频率，帮助ibpA修复启动子区域连续11个腺苷酸产生的点突变，提升高温下分子伴侣的转录效率。该研究明确了蚜虫两种共生菌在DNA错配修复系统上的功能互补，降低共生菌热激蛋白的突变频率，进而促进蚜虫种群的高温适应性。
[学术文献 ] 中科院上海药物所利用AAV递送RNA编辑工具治疗MDS 进入全文
Nature Neuroscience
2024年12月12日，辉大基因/中国科学院上海药物所杨辉团队及临港实验室胥春龙在Nature Neuroscience发表题为An RNA editing strategy rescues gene duplication in a mouse model of MECP2 duplication syndrome and nonhuman primates 的研究论文。该研究通过单次侧脑室注射方式，使用单个腺相关病毒 (AAV) 载体递送辉大基因专有的高保真、高活性的RNA编辑工具hfCas13Y及MECP2基因的引导RNA (gRNA)，在MDS小鼠模型和野生食蟹猴模型中实现了大脑内hfCas13Y和MECP2 gRNA的稳定、持久表达。同时大脑MECP2基因的表达被敲低至生理性可接受的水平，显著改善了人源化MDS小鼠的运动功能、焦虑抑郁样行为、学习和记忆能力、社交功能，并延长了生存时间。这一研究为后续临床试验提供了坚实的科学基础。目前，临床试验已正式启动（NCT06615206）。本研究旨在筛选高效且特异的RNA编辑工具和gRNA以高效敲低MECP2。研究人员基于辉大基因自主研发的AI驱动 HG-PRECISE®平台，通过体外细胞实验中筛选出高保真、高活性的RNA编辑工具——hfCas13Y。随后，在细胞系中针对人、猴、小鼠MECP2 mRNA的保守同源区域筛选出的gRNA，该gRNA可将MECP2 mRNA水平降低至90%以上，且未观察到明显的脱靶效应。为评估hfCas13Y-gMECP2对携带人源MECP2基因的MDS转基因小鼠模型（下称MDS小鼠）的治疗效果，研究人员将hfCas13Y-gMECP2装载到单个AAV载体中，并通过侧脑室注射，将不同剂量的AAV递送到新生的雄性MDS小鼠脑内。给药4周后，MDS小鼠大脑皮层、纹状体和海马组织中的MECP2 mRNA和蛋白水平均显著敲低。最高剂量下AAV将MECP2表达水平敲低至接近野生小鼠水平。免疫荧光染色和单细胞RNA测序结果进一步显示，在单个神经元水平上，最高剂量的AAV将大脑皮层中的MECP2表达敲低至野生小鼠Mecp2表达水平的35-75%，达到有效治疗MDS且避免引发Rett综合征 (RTT) 的最佳范围。大脑皮层的RNA测序结果表明，给药4周和48周后，MDS小鼠大脑皮层中异常基因表达模式恢复至与野生小鼠相似。行为学评估显示，注射AAV 8周后，MDS小鼠的运动功能、焦虑抑郁样行为、社交行为及学习和记忆能力恢复至野生小鼠水平，并持续至26周。最高剂量下治疗后的MDS小鼠的生存时间显著延长。长期安全性评估证实，该剂量在MDS小鼠中未表现出安全性风险。此外， AAV-hfCas13Y-gMECP2在成年MDS小鼠中也表现出显著的疗效。最后为了验证AAV-hfCas13Y-gMECP2在降低食蟹猴大脑中MECP2表达水平的有效性，研究人员通过侧脑室注射的方式，将不同剂量的AAV-hfCas13Y-gMECP2递送到成年雄性食蟹猴大脑中。注射6-8周后，结果显示hfCas13Y在整个大脑中广泛分布，并呈现剂量依赖性。同时，不同剂量组的食蟹猴大脑中MECP2 mRNA的平均表达水平显示出下降低趋势，尤其在高剂量AAV给药组中，野生食蟹猴大脑内的MECP2 mRNA和蛋白表达均显著下降。以上结果表明，AAV-hfCas13Y-gMECP2能够有效降低非人灵长类动物大脑内的MECP2水平。此外，研究还检测了与MECP2下游调控相关的分子GDF11在高剂量AAV治疗后的变化。GDF11是一种潜在的MDS疾病生物标记物，在MDS中其表达水平升高，而在RTT中则降低。在本研究中，研究人员检测量了食蟹猴脑脊液中GDF11蛋白含量，发现高剂量AAV给药后，不同时间点脑脊液中GDF11蛋白水平均有所降低。这进一步支持了AAV-hfCas13Y-gMECP2在调节与MECP2相关的分子通路方面的潜力，并为其治疗MDS提供了更为广泛的机制基础。
[学术文献 ] 中国科学技术大学揭示Hsp90新机制 进入全文
Nature Communications
2024年12月11日，中国科学技术大学生命科学与医学部黄成栋教授团队在《Nature Communications》期刊发表了题为《The Dynamic Triage Interplay of Hsp90 with its Chaperone Cycle and Client Binding》的研究论文。该研究通过运用液体核磁共振（NMR）技术，在原子级分辨率下首次详细解析了Hsp90分子伴侣在ATP循环过程中的多层面动态行为，阐明了其构象变化、客户蛋白结合及能量屏障调控之间的协同作用。这些发现不仅增进了对Hsp90功能机制的理解，也为基于此分子伴侣的抗癌药物研发提供了重要的理论支持。热休克蛋白90（Hsp90），作为细胞内的一个关键分子伴侣，参与调控超过10%的人类蛋白质组，涵盖多种重要蛋白质如激酶、E3连接酶和转录因子等。它在细胞信号传导路径和蛋白质稳态维持中扮演着核心角色，因此成为癌症研究领域的一个重要靶点。然而，由于Hsp90动态机制的复杂性，对其具体作用机制的认识仍然有限。本项研究选择了大肠杆菌中的Hsp90同源物HtpG作为模型系统，并利用液体NMR技术，在原子分辨率水平上全面分析了HtpG溶液中的构象动力学。研究结果显示，HtpG在ATP结合后能够实现多种构象间的动态平衡，并经历从开放到闭合的构象转变；而ATP水解则促使HtpG进入更为稳定且紧凑的状态。此前的研究已经表明，在ATP驱动的循环过程中，HtpG表现出类似一个灵活精密的‘纳米机械夹钳’的行为，通过周期性的开合来执行其功能（NSMB, 2024）。本研究进一步深化了这一认识，揭示了HtpG在整个循环的不同阶段不仅存在明显的构象差异，而且每种构象都具有独特的动态特征，从而高效地介导底物蛋白的折叠与激活。此外，研究还发现，当HtpG与底物蛋白结合时，会触发一种“全局动态联动”的机制，这种机制将局部相互作用的信号传播至整个分子的其他区域，降低了从一个构象转换到另一个功能性构象所需跨越的能量障碍。同时，这种联动效应改变了构象的热力学平衡，并延长了HtpG辅助底物蛋白折叠与激活的有效时间窗口。这项工作显著提升了我们对Hsp90分子伴侣动态功能机制的认知，并为针对该分子伴侣开发抗癌药物提供了理论基础。通过在原子分辨率上首次展示大型分子伴侣在不同时间尺度上的构象演变，该研究也证明了液体NMR技术在解析复杂动态分子机器方面的重要潜力。
[学术文献 ] 华中农大揭示猪呼吸综合征病毒入侵细胞分子机制 进入全文
Journal of Virology
2024年12月9日，华中农业大学动物科学技术学院、动物医学院李自力教授团队在猪繁殖与呼吸综合征病毒入侵细胞的分子机制研究领域取得重要进展。相关研究成果以“The Neonatal Fc Receptor (FcRn) is Required for Porcine Reproductive and Respiratory Syndrome Virus Uncoating”为题在Journal of Virology期刊上在线发表。猪繁殖与呼吸综合征（Porcine reproductive and respiratory syndrome，PRRS）是由PRRS病毒（PRRSV）感染引起的以母猪繁殖障碍和所有年龄段猪呼吸困难为特征的高度接触性传染病。该病自1980年代末在北美和欧洲被发现以来，给全球养猪业造成了巨大经济损失。目前尽管已鉴定出多种参与PRRSV感染的受体或宿主因子，但学术界对PRRSV进入细胞的机制仍不十分清楚。已有文献报道血红蛋白清道夫受体CD163是PRRSV感染不可或缺的受体，CD163与PRRSV糖基化外膜蛋白在早期内体互作，CD163被认为参与了病毒脱衣壳过程，但CD163并不与PRRSV核衣壳蛋白互作，并没有研究证实CD163是PRRSV的脱衣壳受体。因此，是否还存在其他受体或宿主因子与PRRSV 核衣壳蛋白互作并介导病毒脱衣壳值得深入探究。新生儿Fc受体（Neonatal Fc receptor，FcRn）是IgG的转运受体，该团队一直从事FcRn与免疫学相关的研究工作。然而，近年来已有多篇文献报道FcRn是感染人的部分肠道病毒的脱衣壳受体，受此报道的启发，研究人员推测FcRn很有可能是某些动物病毒入侵细胞的受体，并开始尝试探究FcRn对猪的几种病毒增殖是否有影响。FcRn在PRRSV感染的靶细胞猪肺泡巨噬细胞（PAMs）中高表达，细胞内FcRn主要定位在早期内体等细胞器中。鉴于此，研究人员首先发现敲低FcRn能抑制PRRSV-1和PRRSV-2的增殖；随后发现过表达FcRn能促进PRRSV-2的增殖，以上结果说明FcRn对PRRSV增殖具有正调控作用。再通过抗体阻断和IgG阻断试验发现FcRn可能是PRRSV-2感染所需的关键宿主因子。随后应用CRISPR/Cas9 敲除和回补FcRn试验证实FcRn是PRRSV-2感染所必需的宿主因子。进一步研究发现FcRn不参与PRRSV-2的吸附和内化，通过间接免疫荧光试验检测PRRSV-2感染细胞24 h后nsp2的表达，证明FcRn参与了PRRSV-2的脱衣壳及基因组释放。通过激光扫描共聚焦显微镜观察到内化30 min后的病毒粒子进入FcRn阳性CD163阳性早期内体。最后通过免疫共沉淀试验证实FcRn与PRRSV-2核衣壳蛋白互作，且在酸性条件下（pH 6.0）的互作更强；同时还发现无论是否存在PRRSV-2感染，FcRn与CD163均不互作。该研究发现FcRn是PRRSV感染细胞的必需宿主因子，参与病毒的脱衣壳，为阐明PRRSV的早期感染过程奠定了基础，为抗PRRSV的药物研发和分子抗病育种提供了潜在靶标。
[学术文献 ] 斯坦福大学等揭示驯化稻起源于一万年前证据 进入全文
PNAS
2024年12月9日，美国斯坦福大学刘莉教授团队与中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化与环境演变重点实验室的张健平研究员、浙江省文物考古研究所蒋乐平研究员合作在PNAS发表题为“Identification of 10,000-year-old rice beer at Shangshan in the Lower Yangzi River valley of china”研究论文，研究团队聚焦于我国浙江上山文化遗存，利用多种微体化石分析技术，发现了东亚最早酒类酿造新证据，揭示了一万年前上山遗址稻米酿酒技术，探讨了稻米酿酒的技术过程及其与文化、环境的关联，以及这一发现对稻作农业起源与早期社会发展的意义。研究通过气候、微生物和植物资源的多学科证据，展示了生态与文化因素在早期农业起源中的协同作用。研究团队从浙江省浦江县上山遗址采集了12件代表不同用途的陶器残片（发酵、盛装和烹饪），对每个陶器的内表面残留物，以及陶胎、文化层沉积物等进行了微体化石提取与分析，包括植硅体、淀粉粒和真菌，以确定陶器的使用功能和食物加工方式。植硅体分析显示，陶器残留物和陶土中含有大量驯化稻的植硅体。这一证据表明，稻米是上山人群的重要植物资源。证据还表明，稻壳和稻叶被用于陶器制作，进一步证明稻米在上山文化中的核心地位。团队还在陶器残留物中发现了多种植物淀粉粒，包括稻米、薏苡、稗草、小麦族淀粉、橡子和百合。这些淀粉颗粒中许多表现出酶水解和糊化的迹象，表明发酵过程的存在。此外，研究还发现了大量真菌成分，包括红曲霉和酵母细胞，这些真菌与传统酿造曲酒时使用的真菌种类密切相关，例如红曲霉是中国传统红曲酒酿造使用的主要霉菌。其中一些还显示出典型的生长发酵阶段（如闭囊壳、菌丝、酵母芽殖的各种形态）。真菌孢子和菌丝的发育形态能够反映出它们在特定温湿度条件下的活动，而这些条件通常在埋藏过程中无法满足，这些形态通常只在活性发酵过程或存储在发酵容器中时形成，埋藏环境缺乏适合真菌生长的条件，因此这些发酵真菌的特殊形态不大可能在后期形成。研究团队分析了红曲霉和酵母遗存在不同陶器类型中的分布，发现小口罐中的数量显著高于用作炊器的罐和用来加工一般食物的大口盆。这种分布表明，陶器类型与特定功能密切相关，其中小口罐可能专门用于酿造发酵酒。此外，土壤中天然存在的微生物种群在数量和种类上与陶器上的发酵微生物群有显著区别，这一差异可以排除陶器上的微化石遗存是埋藏后形成的可能性。为进一步了解发酵过程可能造成的微植物和微生物的形态变化，研究团队还使用稻米、红曲霉和酵母菌模拟传统的发酵过程，并将实验结果与陶器样品中的微化石特征进行比对。结果表明，上山遗址陶器中的真菌遗存和现代发酵产生的真菌形态高度一致，尤其是红曲霉闭囊壳和菌丝特征以及酵母菌的芽殖形态。这种一致性进一步证实研究团队对上山酒遗存鉴定的可靠性。上述的研究结果表明，在稻米驯化早期阶段，上山人群采用了广泛的生计策略，并使用陶器，特别是利用小口罐来酿造以红曲霉为主要糖化剂的稻米曲酒。这种酿造技术在上山文化早期的出现，与稻米驯化和全新世早期温暖湿润的气候密切相关。驯化稻为发酵提供了稳定的资源，而有利的气候条件为真菌生长提供了理想的环境条件，从而促进了酒精发酵技术的发展。这些酒精饮品可能在仪式性宴飨活动中扮演了重要角色，凸显其作为人群交往及人神沟通仪式的媒介功能。稻米酒的这一特殊功能或许也是推动新石器时代中国水稻广泛种植、利用、和传播的重要因素之一。水稻驯化和稻米酿酒是东亚地区农业和食物文化的重要组成部分。通过研究上山文化的稻米酿酒证据，可以追溯东亚农业起源和早期饮食文化的形成过程。这对理解水稻驯化路径和技术演变，乃至世界农业和酿酒史，具有重要的填补性价值。总之，这项研究不仅揭示了早期稻米酿酒的复杂性与创新性，也为理解东亚地区稻作农业的起源、早期社会结构和技术传播提供了重要的科学依据。
