共检索到2327条,权限内显示50条;
[学术文献 ] 扬州大学和德国波恩大学合作发现玉米侧根伸长重要转录因子 进入全文
Science Advances
2025年4月11号，扬州大学徐辰武，李鹏程和德国波恩大学于鹏共同通讯在Science Advances在线发表题为“Natural variation in a cortex/epidermis-specific transcription factor bZIP89 determines lateral root development and drought resilience in maize”的研究论文。该研究通过整合全转录组关联研究和单细胞RNA测序数据，作者鉴定出一个碱性亮氨酸拉链（bZIP）转录因子ZmbZIP89，它是侧根伸长的重要调控因子，并描绘了其在皮层/表皮细胞类型中的空间表达模式。玉米（Zea mays L.）是一种具有高度复杂根系结构的谷物作物。此外，其养分吸收和抗逆性在很大程度上取决于侧根的形成和空间分布。从自然生境到农业系统，驯化和当地适应重塑了根系的发育和功能。迄今为止，多项研究提供了正向和反向遗传学证据，证明了根系结构和功能的分子基础，这些部分受到环境因子特别是非生物胁迫的调控。然而，在谷物中，关于单子叶植物如何配置细胞模式和分化，以及发达的根系结构在多大程度上适应胁迫的问题仍相对未知。这些遗传和分子信息对于理解根系适应不断变化环境的潜在价值，以及随后开发对未来气候挑战具有抗逆性的作物品种至关重要。玉米具有复杂的根系，包括胚原基根、胚原基根、胚后茎生根以及侧根。纵向来看，主根可分为三个发育区（即分生区、伸长区和分化区）。所有玉米根类型共享一个共同的解剖学组织，包括表皮、皮层、内皮层和中柱，其中含有中柱鞘、韧皮部和木质部。主要的细胞类型，包括中柱鞘细胞和内皮层细胞文件，参与单个侧根的起始和伸长，最终塑造根系结构和功能。早期中柱鞘细胞的RNA测序分析表明，植物激素和特定转录因子（TFs）决定了玉米侧根的形成和功能。最近，这些基因的功能特征已通过反向遗传学方法进行了描述。然而，与模式植物拟南芥不同，谷物作物需要其引发的中柱鞘细胞和分化的侧根原基穿透数层皮层细胞以产生成熟的侧根。如果使用经典的遗传或分子方法掩盖了不同细胞类型之间表达固有的异质性，那么确定哪种细胞类型和发育过程是根系结构和功能的主要决定因素是具有挑战性的。单细胞RNA测序（scRNA-seq）的最新进展彻底改变了植物根系发育的探索，使得能够鉴定出参与根系生长和发育的细胞类型特异性基因、通路和调控网络。几种激素，如乙烯和油菜素内酯，在影响拟南芥表皮和皮层细胞层内的根系发育中发挥着关键作用。已鉴定出几种经典的ABF2和ABF3转录因子为内皮层细胞中的硝酸盐响应性功能调节因子。在玉米中，已构建了单细胞分辨率的根系图谱，揭示了SHORT-ROOT信号通路调节皮层层数，从而决定了谷物根系解剖结构的独特复杂性。尽管取得了这些进展，但谷物中参与根系发育和胁迫适应的细胞类型特异性调节因子和基因调控网络仍有待充分阐明。群体遗传学为探索根系遗传学并将这些见解转化为作物改良和可持续农业策略提供了强大的框架。作者利用357个玉米自交系的转录组数据和基于玉米参考基因型B73的scRNA-seq分析结果，生成并整合了全转录组关联研究（TWAS）数据。作者鉴定了几个参与玉米根系发育复杂数量性状的关键调节基因。特别是，作者将ZmbZIP89鉴定为影响侧根发育的关键转录因子，并绘制了其在皮层/表皮细胞中的空间表达模式。作者进一步建立了ZmbZIP89介导的调控网络，并证明ZmbZIP89激活过氧化物酶（POD）基因ZmPRX47的表达，从而促进活性氧（ROS）的产生。ZmbZIP89-ZmPRX47-ROS模块被功能验证为介导根系发育和玉米抗旱性的关键组分。值得注意的是，ZmbZIP89的3′非翻译区（UTR）序列变异提供了侧根发育自然变异与基因表达水平之间的联系。作者的研究为调控根系细胞特异性发育的遗传网络提供了有价值的见解，并为改善玉米根系以增强抗逆性提供了宝贵的基因组资源。
[学术文献 ] 哈尔滨医科大学构建成纤维细胞单细胞图谱 进入全文
Science Advances
2025年4月4日，哈尔滨医科大学顾云燕独立通讯在Science Advances在线发表题为“Fibroblast atlas: Shared and specific cell types across tissues”的研究论文。该研究整合了来自73项研究、涵盖10种组织的249,156个成纤维细胞，构建了成纤维细胞的单细胞图谱。生物系统中分子与物理相互作用的复杂性表明，各种细胞亚型以依赖于上下文的方式执行不同的功能。肿瘤发生的特点是高度异质性，而理解这种异质性的努力在很大程度上仅限于癌细胞，忽略了肿瘤微环境中的那些细胞。成纤维细胞是肿瘤微环境的核心组成部分，通常被认为是通过产生和维持细胞外基质来参与组织稳态和肿瘤发生的细胞。近年来，单细胞RNA测序（scRNA-seq）的应用揭示了成纤维细胞在表型、起源和功能上也具有高度异质性。成纤维细胞异质性背后的机制仍然是癌症研究中的一个活跃领域。特别地，scRNA-seq推动了作者对成纤维细胞异质性的理解，使作者能够以无偏见的方式识别先前未知的成纤维细胞亚型。例如，Öhlund等人在胰腺癌中提出了两种相互排斥且可逆的癌症相关成纤维细胞（CAF）亚型，包括炎性CAF（iCAF）和肌成纤维细胞CAF（myCAF）。他们的scRNA-seq研究进一步证实了iCAF和myCAF的存在，并鉴定了一种先前未知的CAF亚型，命名为抗原呈递CAF。在乳腺癌中，Costa等人使用多色流式细胞术鉴定了四种不同的CAF亚群（CAF-S1至CAF-S4）。随后，他们通过scRNA-seq将CAF-S1进一步分为八种在分子和表型上不同的CAF亚型，这八种CAF亚型可以反映iCAF和myCAF的某些特征。对相同或不同组织的多项研究鉴定了相似的成纤维细胞亚型，但给它们分配了不同的名称，例如乳腺癌中的CAF-S4亚型、胰腺癌中的myCAF亚型和头颈鳞状细胞癌中的HNCAF-2亚型。然而，目前尚不清楚这种现象是否可以扩展到其他癌症类型，CAF亚型的这些共有和特有特征仍然未知。Buechler等人通过整合50个scRNA-seq数据集，在健康和患病小鼠模型中鉴定了两种通用成纤维细胞亚型，并构建了跨17个组织的成纤维细胞图谱。然而，在人类中，成纤维细胞亚型的保守性仅在来自胰腺、结肠和肺组织的五个scRNA-seq数据集中进行了探索。此外，Luo等人整合了人类10种实体瘤类型的12个scRNA-seq数据集，并鉴定了两种正常成纤维细胞亚型和六种CAF亚型。一些研究中相对较少的成纤维细胞数量不足以检测成纤维细胞亚型的全貌，导致一些关键亚型被忽视。此外，先前成纤维细胞亚型与明确定义的成纤维细胞亚型之间的关系尚不清楚。因此，有必要整合尽可能多的scRNA-seq数据集，并系统地剖析和比较不同组织中成纤维细胞亚型之间的关系。在本研究中，作者系统地整合了跨10个组织的73个scRNA-seq数据集，以构建人类成纤维细胞的综合图谱，最终目标是理解成纤维细胞的异质性并阐明成纤维细胞亚型之间的关联。作者鉴定并定义了18种成纤维细胞亚型，并描绘了所有先前建立的主要成纤维细胞亚型。相比之下，作者鉴定了一种先前未知的与表观遗传修饰相关的普遍存在的成纤维细胞亚型，该亚型在空间转录组（ST）数据中倾向于与内皮细胞共定位，并且更容易通过F2R受体受到T细胞的攻击。此外，作者提供了一个在线平台，以促进癌症研究人员进一步探索成纤维细胞的异质性（http://medsysbio.org:3838/fibroblasts/）。
[学术文献 ] 复旦大学开发肠道微生物体内荧光标记技术 进入全文
PNAS
2025年3月28日，复旦大学王炜，中国科学院上海有机化学研究所林亮和上海交通大学王静共同通讯在PNAS在线发表题为“Intravital imaging of translocated bacteria via fluorogenic labeling of gut microbiota in situ”的研究论文。该研究报告了一种体内荧光标记方法，该方法能够实现对小鼠肠道微生物群的原位成像以及对转移细菌的实时追踪。通过模拟细菌中的肽聚糖茎肽，作者设计了一种由D-和L-氨基酸交替组成的四肽探针，其N端和C端氨基酸分别装配有荧光团和淬灭剂。由于其对宿主蛋白酶的抗性，该探针可直接用于灌胃，并通过标记细菌的L,D-转肽酶的作用，实现对肠道微生物群的荧光标记。随后，作者利用双光子显微镜成功在肥胖小鼠模型中可视化观察到肠道细菌向血液和肝脏的转移过程。该技术有助于进一步探索肠道微生物群的时空活动，并在研究许多严重疾病中细菌转移的致病性方面具有重要价值。
[学术文献 ] 中国农大与丹麦奥胡斯大学等合作构建鸡的多组织基因表达遗传调控图谱 进入全文
Nature Genetics
2025年4月8号，中国农业大学与丹麦奥胡斯大学，美国加州大学戴维斯分校以及中国农业科学院等多家研究单位合作的ChickenGTEx项目在Nature Genetics上在线发表了文章Genetic regulation of gene expression across multiple tissues in chickens（鸡多种组织基因表达的遗传调控图谱）。该研究通过整合来自7015个样本的bulk RNA-seq，127598个单细胞的RNA-seq和2869个全基因组重测序数据，基于28个组织构建了鸡多组织遗传调控图谱，识别了数百万个影响转录和转录后过程的调控变异，强调了这些调控变异独特的分子机制以及对于复杂性状解析的重要作用，为鸡以及鸟类的基因功能和复杂性状的解析提供了非常宝贵的数据资源。鸡是重要的蛋白质来源，因其独特的发育和生理特性，鸡被作为基础与应用研究中的经典模式动物，广泛应用于驯化，发育生物学和免疫学研究中。近年来随着基因组测序以及GWAS研究的发展，已确定了许多与复杂表型相关的基因位点，这些基因变异大多位于非编码区，对基因变异进行系统地功能注释对于了解这些性状的调控机制至关重要。为此，研究人员系统地绘制了鸡中五类分子表型（PCG、lncRNA、外显子表达、可变剪接和APA）的molQTL图谱，发现molQTL信号多富集于TSS和转录终止位点附近。与其他物种类似，鸡的molQTL统计性能受组织样本量影响，当样本量接近200时，具有较大效应的eQTL更易被检测到。为评估同一基因的不同分子表型是否共享调控变异，研究对任意两类molQTL进行了共定位分析。结果显示，不同分子表型之间lead variant的连锁不平衡程度较低，共定位概率也多为低至中等，提示不同类型molQTL之间多数具有独立的调控机制。功能富集分析进一步揭示了不同调控 DNA 序列中 molQTL 的不同富集。所有 molQTL 在错义变体中都有显著的富集，表明一些调控变异可能会改变蛋白质编码序列。此外，molQTL在启动子中富集程度最高，其次为增强子和ATAC岛。研究还分析了大脑、肝脏、肌肉和脾脏等组织中eQTL在不同品种之间的共享模式。结果显示，平均81%的eQTL在不同品种之间得到了复制。例如，rs314795649的T等位基因在所有四个品种的肝脏中均显著上调PRKCDBP的表达。为了进一步探讨背景依赖性基因调控，研究还进行了性别互作eQTL（sb-eQTL）和转录因子eQTL（TF-eQTL）分析。为了证明 molQTL 在阐明鸡复杂性状的调控机制方面的潜力，研究人员系统地整合了 molQTL 与GWAS的结果。应用了四种方法，包括基于fastENLOC的共定位分析、基于摘要数据的孟德尔随机化（SMR）、单组织TWAS（sTWAS）和多组织TWAS，以筛选每个GWAS loci的优先因果变异和基因。在惠阳胡须鸡-岭南黄鸡的深度杂交系（AIL）中，综合 SMR 和 fastENLOC 的结果，579 个 GWAS 基因座中有 222 个（38%）可以被至少一种 molQTL 解释，这一相对较低的共定位比例与人类研究中的观察结果一致。这种低重叠率可能反映了 ChickenGTEx 和GWAS 群体之间 LD 模式的差异，以及 molQTL 和 GWAS 基因座发现的系统性差异。对于6-8周龄体增重（WG6.8），利用sTWAS鉴定到了43个候选功能基因，其中KPNA3在视网膜中的关联最强，其次是垂体，同时发现在视网膜中KPNA3的eQTL（rs314814283）共定位的后验概率最高。KPNA3编码的核入蛋白亚基α3在视网膜感光细胞发育中至关重要，表明其在调节生长发育表型中起到重要作用。为了探讨鸡与哺乳动物之间基因表达和遗传调控的保守性，研究使用FarmGTEx和人类GTEx的数据进行了比较分析，揭示了不同物种在表达基因数量、整体基因表达模式和组织特异性方面的某种程度的保守性。然而，鸡和哺乳动物之间同源基因的顺式遗传力和eQTL效应的相关性明显低于哺乳动物物种之间的相关性。利用这些保守模式，进一步通过TWAS探索了跨物种复杂性状遗传学的相似性。许多相关性重现了已知的生物学关系，例如鸡的体重与猪的平均日增重显著相关。由于基因连锁关系和LD模式在不同物种之间往往存在差异，跨物种的meta-TWAS分析提供了一种有前景的策略，可以识别共享的因果基因和潜在的分子机制。例如，在肌肉中进行的双物种meta-TWAS分析识别了一些与生长相关的性状，例如猪的背膘厚度和人类的身高，这些分析有助于发现与鸡体重相关的额外基因。总之，ChickenGTEx项目提供了一个全面的资源，涵盖了28种组织中五种转录标记的遗传调控效应。这一资源深入揭示了遗传变异在转录组中的调控模式及其对复杂表型的影响。ChickenGTEx网站提供了免费访问所有数据的权限，并包括易于使用的可视化工具，方便用户检索结果 (https://chicken.farmgtex.org/)。
[学术文献 ] 清华大学发布开源工具AQuA2助力揭示分子信号的复杂时空动态特征 进入全文
Cell
2025年4月8日，清华大学于国强教授课题组在Cell杂志上发表了题为 Fast, accurate, and versatile data analysis platform for the quantification of molecular spatiotemporal signals 的研究论文，并发布了基于上述理论的开源工具AQuA2。该成果的关键突破是提出了时空统一的理论框架，攻克了事件分解这一核心技术，使得生命分子信号如钙信号和多巴胺信号在时间和空间两个不同的层面上得到统一的分析，无论是分子信号的空间变化还是时间上的动态过程，都可以得到准确灵活的检测与量化。该成果的突破也依赖于近年来人工智能与机器学习技术的进展。为了应对低信噪比环境和更庞大的数据规模，AQuA2 采用了包含概率统计理论与先进机器学习算法在内的策略。譬如，序统计理论被用来刻画阈值操作带了的统计偏差，从而提高低信噪比数据的鲁棒性。研究团队开发了bidirectional pushing with linear component operations (BILCO) 等先进方法，使得AQuA2能够在不牺牲精度的情况下显著提高检测效率，速度提高2倍，计算机内存使用效率提高10倍。AQuA2引入了共识功能单元（consensus functional unit，CFU）的概念来集成基于感兴趣区域和基于事件的方法。如果一个空间区域产生重复的信号事件，它更有可能是一个功能单元，这种区域称为CFU。CFU的提出，很好地结合了区域和事件定义，比感兴趣区域提供了更大的灵活性，允许信号具有不同的大小、形状和传播模式，同时保持一致的空间基础。这一改动通过利用基于感兴趣区域和基于事件的方法的优势，促进更深层次的生物学见解。此外，引入CFU使得AQuA2能够分析不同生物传感器记录的信号之间的相互作用。AQuA2利用先进的算法实现了跨物种、跨器官以及多种生物分子探针的成像数据分析处理。研究团队在文中展示了该平台对钙离子、去甲肾上腺素（NE）、ATP、乙酰胆碱（Ach）及多巴胺等多种荧光传感器信号的检测能力，并覆盖包括神经元、星形胶质细胞、少突胶质细胞与微胶质细胞在内的不同细胞类型。无论是小鼠还是斑马鱼的大脑和脊髓，AQuA2都能从时间序列影像中准确提取并量化那些往往被噪声或复杂结构所掩盖的微妙动态特征。在易用性方面，研究团队为 AQuA2 设计了直观的操作界面，不仅支持二维与三维数据，也适用于多种双通道或多通道成像。研究团队为这一算法框架配备了友好的图形操作界面，可在MATLAB、Fiji（ImageJ插件）以及云端服务等多平台使用，方便研究者根据需求选择离线或远程资源进行分析。现有ROI分析软件（如suite2p、CaImAn）和事件检测工具（如AQuA、Begonia）虽然在各自擅长的范围内表现良好，但面对越来越多元的分子探针、宽广的空间尺度和繁复的活体信号特征时往往力不从心。AQuA2的出现，意味着研究者在应对复杂空间动态信号、低信噪比场景以及多通道融合分析时，有了一个更通用、更高效的解决方案。论文所提及的真实数据与模拟实验结果也显示，在准确率、检测灵活度和易用性等方面，AQuA2均有大幅度提升。借助AQuA2平台，研究团队成功量化了钙离子、去甲肾上腺素、ATP、乙酰胆碱以及多巴胺等多种分子信号，涵盖了星形胶质细胞、少突胶质细胞、微胶质细胞及神经元在内的不同细胞类型，也涉及脑和脊髓等多器官乃至多物种模型（如小鼠和斑马鱼）。研究团队利用AQuA2进行了多项实验，验证了其在复杂生物系统中的应用价值。作为典型的发现，研究团队展示了AQuA2如何识别神经元和星形胶质细胞之间的药物依赖性相互作用，以及小鼠脊髓中不同的感觉运动信号传播模式。咖啡因作为中枢神经系统兴奋剂和腺苷受体阻滞剂/拮抗剂发挥作用，影响神经元和神经胶质细胞的功能，并在一定程度上调节大脑的内部环境。检测结果显示了两种状态下的代表性信号。在药物状态下，其中一种模式反映了正常状态，仅显示神经元信号。这种模式可能反映了由于游泳行为引起的信号激活。相反，在药物状态下的另一种模式显示了星形胶质细胞钙信号，通常伴随着更大的神经元信号。这种独特的大脑活动模式表明，由于咖啡因的加入，整个大脑的动力学发生了变化。脊髓在传递感觉信息、协调运动和触发反射动作方面具有关键功能。在脊髓内，单个板层包含独特的神经元群体，表现出独特的连接模式，并发挥专门的功能作用。AQuA2分析了小鼠脊髓中感觉诱发和运动诱发的星形胶质细胞钙信号传播差异。研究结果表明，外周感觉刺激和运动动作参与了不同脊髓板的神经回路，这一发现对于星形胶质细胞如何调节脊髓神经回路活动或可塑性具有重要意义。研究团队相信，随着更多科研人员尝试使用并给出反馈，AQuA2的功能还会不断完善和迭代。一方面，它既能精准地适配传统的神经元或胶质细胞钙信号成像，也可以拓展到未来新型的神经递质、代谢标记乃至跨器官动态追踪；另一方面，一致功能单元和多通道交互分析等概念的引入，为人们在观测细胞或分子活动时提供了更多思路和更直观的呈现方式。研究团队指出，随着该技术逐渐成熟，将为理解大脑高级功能、免疫细胞动态行为以及病理过程等课题提供强有力的数据支撑，最终有望转化到疾病诊断和药物研发等实际应用中。透过AQuA2对分子信号的事件级别刻画与时空关系挖掘，不仅可以更加精确地研究脑活动、胶质细胞与神经元间的交互、病变组织的代谢特征等等，还可在免疫学与药物学等领域为潜在机制提供新的研究工具。研究团队表示，希望未来能与更多同行开展多学科合作，在技术和应用层面持续打磨这一分析平台，为神经科学、病理学、免疫学、发育生物学以及更广泛的生命科学难题带去新的契机与思路。
[学术文献 ] 北京大学等成功绘制了六倍体小麦的端粒到端粒完整基因组图谱 进入全文
Nature Genetics
2025年4月7日，潍坊现代农业山东省实验室/北京大学现代农业研究院和小麦育种全国重点实验室邓兴旺、何航、李博生团队在国际顶尖期刊Nature Genetics上发表题为“A telomere-to-telomere genome assembly coupled with multi-omic data provides insights into the evolution of hexaploid bread wheat”的突破性成果：全球首次成功绘制了六倍体小麦的端粒到端粒（T2T）完整基因组图谱，实现了小麦基因组从“头”到“尾”无缺口的精确组装。这一在山东完成的成果，为我国主粮作物高水平科技自立自强、牢牢把握粮食安全主动权提供了重要支撑。研究团队利用PacBio HiFi高精度测序和ONT超长读长测序等前沿技术，结合多种算法，成功构建了六倍体小麦T2T基因组，命名为“CS-IAAS”版本1.0。该基因组总长度达14.51 Gb（约145亿个碱基），首次实现了42条小麦染色体从端粒到端粒的无缺口拼接。相比以往，这一图谱在完整性、连续性和准确性上实现了质的飞跃，为功能基因组学研究奠定了坚实基础。这一成果不仅展示了我国在农业基因组学研究领域的国际领先地位，还为粮食安全战略提供了强有力的科技支撑。借助完整基因组图谱，研究团队首次清晰解析了小麦基因组中着丝粒、端粒和核糖体DNA重复序列（rDNA阵列）等复杂区域。其中，着丝粒长度相比之前报道增加了47%，这一精确鉴定为小麦着丝粒功能和进化提供了新的视角。研究发现，着丝粒区域主要由大量重复的转座子序列构成，且A、B、D三个亚基因组的着丝粒独立进化，各有不同。并在小麦多倍体形成中，相对二倍体的着丝粒长度有了大幅增加。此外，D亚基因组中的Retand序列还“渗透”进了A和B亚基因组的着丝粒区域，揭示了亚基因组间的相互影响。端粒作为染色体的“保护帽”，在小麦中同时存在植物和脊椎动物两种风格的重复序列，这一现象在植物中极为罕见。rDNA阵列则被解析为核糖体RNA的重复基因簇，其周围主要由转座子序列构成，不同染色体间的这些区域在组成上存在差异。完整测出这些区域后，为研究这些复杂区域的进化提供了新线索。现代普通小麦是由三个祖先物种杂交形成的六倍体作物。研究团队利用T2T基因组图谱，揭示了小麦从四倍体演化为六倍体过程中发生的23处主要染色体片段倒位，总长度约5.18亿个碱基。这些倒位在现代小麦中全部保留，且断点处富含特殊短重复序列，推测对染色体折断和重新连接发挥了作用。小麦基因组中大量重复序列并非“冗余”，而是驱动其进化的重要力量。研究发现，转座子和片段重复对小麦基因组演化影响深远。两个近期大量扩增的转座子家族表明，这些“跳跃基因”在小麦演化晚近时期突然活跃。此外，长末端重复逆转座子（LTR-RT）在小麦进化关键节点出现两次“大爆发”，为基因组结构调整提供了原材料。片段重复则为基因创新提供了“备份”，使小麦在进化中积累了丰富的遗传变异，增强了环境适应力。这些发现改变了重复序列是“基因组垃圾”的传统认知，揭示了其在基因组扩张、基因复制和多样化中的创造性作用。高质量基因组图谱为基因注释提供了前所未有的精度。研究团队结合RNA测序和全长转录本信息，注释了141,035个高置信度蛋白编码基因，并鉴定出大量可变剪接形式。相比以往版本，新增了34,120个高置信度基因，其中包括许多NLR抗病基因，为抗病育种提供了新靶点。为确保注释准确性，研究团队还通过蛋白质组学手段验证了基因结构，进一步提高了注释可靠性。这份经过严格校准的基因目录将成为功能基因组学研究的宝贵资源。六倍体小麦端粒到端粒完整基因组图谱的发布，标志着小麦基因组研究进入新阶段。这一成果不仅深化了对小麦基因组结构和进化机制的理解，还为解析其他复杂多倍体作物基因组提供了范例。未来，依托这一高质量参考基因组，科学家将更精准地挖掘与产量、品质、抗病性相关的关键基因，为小麦品种改良带来革命性突破。
