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[前沿资讯 ] 德国慕尼黑亥姆霍兹慕尼黑研究中心表观遗传学和干细胞研究所转录起始图谱揭示早期哺乳动物发育中基因和转座子表达的调控机制 进入全文
BioArt
近日，来自德国慕尼黑亥姆霍兹慕尼黑研究中心表观遗传学和干细胞研究所的Maria-Elena Torres-Padilla研究团队合作在Cell杂志发表了文章An atlas of transcription initiation reveals regulatory principles of gene and transposable element expression in early mammalian development。该研究旨在通过构建哺乳动物早期发育中基因和转座子表达的转录起始图谱，来探索其调控机制和潜在功能。首先，研究人员开发了一种名为Smart-seq+5’的新技术，用于更准确地捕获和量化转座子的表达。Smart-seq+5’基于Smart-seq2技术，通过分子拥挤和改进的转座酶片段化策略来捕获转录本5’末端的碱基，从而实现高灵敏度、全长转录本覆盖和同时捕获单个细胞和单个胚胎中的5’末端转录本信息。实验验证了Smart-seq+5’在5’端映射和TSS识别方面的准确性，表明该技术能够保留Smart-seq2的高灵敏度、全长转录本覆盖和通量，同时允许同时识别 TSS，而无需使用其他技术，如 CAGE。其次，研究人员对五种哺乳动物物种（小鼠、猪、牛、兔和猕猴）的332个单胚胎在不同发育阶段进行了转录组测序，涵盖了胚胎基因组激活（EGA）之前、期间和之后的不同阶段。研究发现，转座子转录在所有物种和所有发育阶段都普遍存在，包括DNA转座子。研究人员识别了19,657个由转座子驱动的基因转录本，这表明在早期发育过程中，转座子被广泛地利用。此外，转座子的表达动态在物种之间表现出相似性和物种特异性模式，这表明它们存在着共享和不同的调控机制。进一步，研究人员系统地研究了五种哺乳动物物种中的EGA基因。研究人员使用DEseq2工具分析了配子和EGA阶段之间的基因表达差异，并仅选择在EGA和16细胞/桑椹阶段之间表达的基因。结果显示，EGA基因在所有物种中都存在保守的基因本体（GO）术语，例如与基因表达相关的术语。此外，研究还进行了TF模式搜索，并识别了在两种或更多物种的EGA基因中具有基序的26个TF。这些分析表明，不同物种之间存在着TF网络的物种特异性。此外，研究人员深入分析了转座子的转录组，并发现DNA转座子在哺乳动物早期胚胎发育中转录活跃。DNA转座子在所有研究物种的所有发育阶段都存在，尽管它们的转座活性可能已经丧失。研究还发现了一些具有EGA表达模式的DNA转座子家族，例如 MER5A转座子，它在所有五种物种中都表现出EGA表达模式，并且具有保守的TSS特征和转录调控因子。最后，研究人员系统地确定了嵌合转录本，这些转录本在TE插入处启动，并揭示了TE在基因表达调控中的广泛影响。研究发现，所有类型的转座子都可以启动嵌合转录本，并且不同物种之间存在着物种特异性和共有模式。MER5A和MLT1A0都可以作为宿主基因的替代启动子，并且MLT1A0可以在EGA期间驱动宿主基因的转录。这些发现表明，TE在哺乳动物早期胚胎发育中起着重要的调控作用，并且它们可以利用TE插入作为基因转录的替代启动子。总之，该研究开发了一种名为 Smart-seq+5’的新型RNA测序技术，该技术可以更准确地检测和量化早期胚胎发育过程中基因和转座子的表达，揭示了早期哺乳动物发育中基因和转座子表达的调控原理，为理解哺乳动物发育的转录调控提供了强大的资源。
[学术文献 ] 西湖大学从头设计跨膜荧光激活蛋白 进入全文
Nature
2025年2月19日，西湖大学生命科学学院/西湖实验室卢培龙团队在Nature期刊上发表了文章De novo design of transmembrane fluorescence-activating proteins，首次报道了跨膜荧光激活蛋白的从头设计成果。这是首个通过从头设计得到的能够精确结合指定小分子的跨膜蛋白，实现了从头设计跨膜小分子结合蛋白的突破。该研究整合了深度学习方法与基于能量的算法，从头设计了跨膜荧光激活蛋白tmFAP (transmembrane fluorescence-activating protein)，首次实现了跨膜蛋白与配体分子在膜内的非共价相互作用的精确从头设计。设计的蛋白能够特异性结合目标配体HBC599荧光基团，亲和力达到纳摩尔级别，并使其荧光亮度激活超过1600倍，结合态的亮度和量子产率均优于常用的增强型绿色荧光蛋白EGFP。研究人员选择了转子型荧光分子HBC599作为目标配体分子，并围绕其展开了结合蛋白的从头设计。HBC599分子在游离状态下基本不产生荧光，只有当以特定构象被稳定结合后，荧光才会被高效激活。因此，选择HBC599作为目标配体分子可以通过荧光强度来直观且快速地检测其结合状态。设计过程分为两步：首先，在从头设计的蛋白骨架内部构建配体分子的结合位点，得到水溶荧光激活蛋白（water-soluble fluorescence-activating protein，wFAP）；然后，在固定结合位点的情况下重新设计wFAP的序列，构建跨膜区，从而将其设计为跨膜荧光激活蛋白（tmFAP）。在设计wFAP时，研究人员首先使用基于螺旋参数的参数设计方法生成了四螺旋束的蛋白骨架。通过调整螺旋间的相对位置和扭转角度，在螺旋束中心构建了空腔结构，为放置配体结合口袋提供空间。然后，使用RIFdock 通过采样配体周围可能的侧链构象，设计了与目标配体相互作用的极性残基。随后，使用基于能量的Rosetta程序对剩余部分的序列进行多轮设计，优化了侧链堆积、配体相互作用和整体能量。由于小分子结合蛋白的设计对精度要求极高，研究人员将基于深度学习方法的AlphaFold2结构预测网络整合到设计流程中，大大提高了骨架采样的质量和效率。研究人员将设计得到的序列输入AlphaFold2以预测其三维结构，筛选出与设计模型高度一致的候选，并将其反馈至设计流程，更新设计模型的骨架坐标，进一步迭代设计，从而生成了稳定的预组织的结合口袋，得到了与预测结构高度一致的设计。设计的wFAP蛋白能够结合配体荧光基团HBC599，荧光激活倍数达到了数百倍。通过定向进化进一步优化蛋白的侧链堆积和口袋中的静电性质后，荧光激活倍数提高到上千倍，荧光亮度和量子产率超过了常用的增强型绿色荧光蛋白EGFP。在设计跨膜版本的荧光激活蛋白（tmFAP）时，需要将wFAP蛋白的亲水表面改造为疏水表面，同时在蛋白核心内仍精确维持配体结合口袋结构。为此，研究人员基于AlphaFold2网络进行梯度引导的幻觉设计（hallucination），在固定核心配体结合区的同时，重新设计了wFAP的表面残基，生成了跨膜疏水区，使AlphaFold2预测的结构同时满足跨膜区疏水性、口袋稳定性和整体折叠置信度，从而得到了具有全新跨膜区序列的tmFAP蛋白。tmFAP能稳定存在于膜环境中，与wFAP蛋白在核心结构上几乎完全一致。研究人员测试了tmFAP，发现其与wFAP具有相似的配体亲和力和荧光激活活性。经过进一步的定向进化优化后，得到的tmFAP与HBC599分子的亲和力达到了18 nM，荧光激活倍数超过1600倍。设计的wFAP和tmFAP能够特异性激活目标结构的配体荧光基团（HBC599），而不激活其他结构略有区别的化学类似物（如HBC530等）。tmFAP在活细胞中表达后能自发定位到大肠杆菌、爪蟾卵母细胞、哺乳动物细胞等不同类型细胞的膜组分上，且具有很高的荧光激活活性。研究人员解析了wFAP蛋白与HBC599配体复合物的高分辨率晶体结构以及tmFAP与HBC599配体复合物的冷冻电镜结构，证实与设计模型高度一致，验证了设计的准确性。该研究采用深度学习方法，解决了设计跨膜区时引起的核心结构及配体结合口袋结构扰动问题，实现了小分子结合跨膜蛋白的精确设计，为跨膜蛋白的从头设计提供了新范式。该方法使小分子结合跨膜蛋白的设计不再依赖天然蛋白骨架，且可针对任意小分子进行设计，为定制化功能的跨膜蛋白从头设计奠定了基础，如转运体蛋白及配体门控离子通道等。此外，可以沿用设计 tmFAP 的思路，进一步开发可遗传编码的生物探针。在膜蛋白穿膜区设计荧光化学探针结合位点，使其响应膜两侧的物理或化学信号。这种生物探针不仅具有膜蛋白可控表达的组织和位置特异性优势，还兼具化学探针的高灵敏度和高信噪比特性，在检测跨膜电压和 pH 梯度等方面具有广阔的应用前景。
[学术文献 ] 哈佛医学院发现CHAMP1复合体促DNA损伤修复新机制 进入全文
Nature Communications
2025年2月17日，哈佛医学院Dana-Farber癌症研究所李锋博士与Alan D’Andrea院士团队在Nature Communications发表题为CHAMP1 complex directs heterochromatin assembly and promotes homology-directed DNA repair 的研究论文。该研究首次揭示CHAMP1-POGZ-HP1α复合体通过调控异染色质凝聚体与同源重组修复（HDR），在维持基因组稳定性中发挥关键作用，并阐明了其在神经发育疾病（如CHAMP1综合征）和癌症（如ALT阳性肿瘤）中的分子机制。该研究通过系统的体内外实验，揭示了CHAMP1复合物不仅能促进H3K9me3在异染色质区域的沉积和聚集，还能有效促进DNA双链断裂处HDR修复因子的募集，特别是在ALT肿瘤细胞中对端粒聚集与维护发挥着重要作用。在真核生物中，异染色质是染色质的一种形式，通常位于细胞核的外围，具有高度压缩的结构，主要由重复的DNA序列（包括端粒和着丝粒）和特定的蛋白质组成。这种紧密的结构使得异染色质在基因表达、DNA复制和修复等过程中相对不活跃。异染色质的形成和维持对于基因组稳定性和调控基因表达具有重要意义。该团队利用AlphaFold2/3-Multimer进行蛋白互作预测和免疫沉淀实验验证发现CHAMP1复合物由CHAMP1、POGZ和HP1α等蛋白质组成，研究发现该复合物能够结合三甲基化的组蛋白H3赖氨酸9（H3K9me3），这一标志通常与异染色质相关。当CHAMP1或POGZ被CRISPR技术敲除后，细胞中H3K9me3和HP1α的聚集显著减少，表明CHAMP1复合物在异染色质的组装和维持中发挥着关键作用。端粒是位于染色体末端的保护性结构，由重复的DNA序列和特定的蛋白质组成，防止染色体末端的降解和不必要的融合。在某些类型的肿瘤细胞中，特别是采用替代性端粒延长（ALT）机制的细胞，端粒的维护不依赖于端粒酶，而是通过DNA重组等方式延长。该研究发现，在ALT阳性肿瘤细胞中，CHAMP1复合物促进端粒的损伤后凝聚，并促进同源重组修复过程。缺失CHAMP1复合物会导致端粒聚集减少，降低ALT细胞的端粒维护能力。SETDB1是一种组蛋白甲基转移酶，主要负责催化组蛋白H3K9的三甲基化，从而促进异染色质的形成。之前的研究发现SETDB1可以增加端粒H3K9的三甲基化水平，并促进ALT的活性。但对SETDB1的招募仍不清楚。该研究进一步发现，CHAMP1复合体通过POGZ与SETDB1相互作用，并促进其在端粒异染色质区域的招募。这一过程增强了H3K9me3的沉积，形成一个正反馈机制，维持异端粒染色质的稳定性并提高HDR修复效率。CHAMP1综合征是一种罕见的神经发育障碍，主要由于CHAMP1基因的杂合性突变引起。临床上，CHAMP1综合征患者常表现为智力障碍、语言发育迟缓、行为异常以及一些特定的面部和体态特征。该研究发现，CHAMP1综合征患者外周血淋巴细胞中存在异染色质聚集减少和DNA双链断裂同源重组修复缺陷的现象，这提示CHAMP1在维持基因组稳定性和神经发育过程中具有重要功能。这种功能缺陷可能是引发该综合征相关神经发育障碍的分子机制之一，同时也为未来开发针对相关症状的功能诊断和治疗策略提供了新的思路。综上，该研究揭示了CHAMP1复合体的两种功能模式：一是REV7依赖性机制，通过隔离Shieldin复合体促进DNA末端切除；二是REV7非依赖性机制，通过调控异染色质组装直接增强HDR修复（本研究的新发现）。这一研究加深了对CHAMP1复合体在基因组稳定性中的作用理解，并为神经发育疾病和癌症的分子机制提供了新的见解。该发现不仅拓展了对CHAMP1综合征的认识，也为ALT肿瘤的靶向治疗策略提供了潜在方向。
[学术文献 ] 深圳农业基因组研究所开发宏基因组测序数据分析流程EasyMetagenome 进入全文
iMeta
2025年2月14日，中国农业科学院深圳农业基因组研究所刘永鑫团队联合国内多团队在iMeta在线发表了题为“EasyMetagenome: A user-friendly and flexible pipeline for shotgun metagenomic analysis in microbiome research”的文章。在宏基因组学研究领域，鸟枪法测序已成为一项核心技术，使研究人员能够以高分辨率从分类和功能层面深入解析微生物群落。这一方法为揭示微生物的多样性、相互作用及其在健康与疾病中的作用提供了重要见解。然而，数据处理的复杂性和研究结果的可重复性仍是学术界面临的主要挑战。为此，我们开发了易宏基因组(EasyMetagenome)，一个用户友好的分析流程，支持多种分析方法，包括质量控制与宿主序列去除、基于读长、组装和分箱的方法，以及高级基因组分析功能。该流程提供了用户可自定义的设置、丰富的数据可视化功能，以及详细的参数说明，确保其能够灵活应对不同场景数据处理的需求。展望未来，我们将致力于解决宿主污染问题，优化适配三代测序数据的工作流程，并整合深度学习和网络分析等前沿技术，以进一步提升对微生物组研究的洞察力和数据准确性。易宏基因组可在https://github.com/YongxinLiu/EasyMetagenome免费获取。
[学术文献 ] 美国Janelia Research Campus开发了新型小分子荧光探针Rhobo6实现细胞外基质实时动态成像 进入全文
Nature Methods
2025年2月6日，美国Janelia Research Campus的Kayvon Pedram团队在Nature Methods上发表了文章Live imaging of the extracellular matrix with a glycan-binding fluorophore。研究团队开发了一种新型小分子荧光探针Rhobo6，通过结合ECM中广泛存在的糖链，实现了活体组织内ECM的实时、无侵入性成像。Rhobo6的设计基于硼酸与糖链中1,2-或1,3-二醇的可逆结合特性。研究团队在罗丹明荧光团中引入两个邻氨基甲基苯硼酸基团，增强了对糖链的结合能力，并通过添加羧酸基团使其具备细胞膜不可渗透性，避免胞内累积干扰信号。光物理特性分析表明，Rhobo6在结合糖链后荧光强度增强且发射光谱红移（吸收峰从523 nm移至536 nm，发射峰从546 nm移至560 nm），这一特性使其兼容常规红色荧光成像参数（如561 nm激发）。此外，Rhobo6的低亲和力（表观Kd约53μM）确保其结合可逆，游离探针可不断补充光漂白分子，从而在长达9小时的连续成像中保持信号稳定。研究团队通过多层面实验验证Rhobo6的实用性。在体外，Rhobo6可标记胶原、纤连蛋白、层粘连蛋白等多种ECM成分，且信号依赖于糖链完整性（经高碘酸或软骨素酶处理后信号减弱）。在细胞层面，Rhobo6成功标记过表达黏蛋白MUC1ΔCT的细胞表面糖萼，且酶解黏蛋白后信号消失，证明其糖链特异性。活体组织实验中，Rhobo6通过局部浸泡或全身注射在小鼠唾液腺、胰腺、肌肉等器官中清晰显示ECM结构，且对胚胎腺体发育无毒性。值得注意的是，Rhobo6在斑马鱼伤口修复中动态捕捉ECM重塑，在果蝇脑组织中标记神经元周围基质，甚至在拟南芥根部显示细胞表面糖链分布，展现出跨物种适用性。在肿瘤研究中，Rhobo6揭示了乳腺癌模型的关键特征，将表达膜锚定荧光蛋白的4T1细胞嵌入胶原基质后，Rhobo6实时显示侵袭前沿胶原纤维的定向排列（与细胞突起平行），而静态区域纤维呈无序分布，这与肿瘤侵袭的力学模型一致。此外，在MMTV-PyMT转基因小鼠模型中，Rhobo6活体成像清晰区分正常乳腺导管周围基质与癌变区域的致密基底膜及纤维网络，为肿瘤微环境研究提供新视角。该研究首次将硼酸-糖链化学特性与荧光探针设计结合，突破了ECM实时成像的技术瓶颈。Rhobo6的优势体现在四个方面：其一，无需洗涤或遗传操作，简化实验流程；其二，低亲和力可逆结合减少对天然结构的扰动；其三，广泛识别糖链的特性提供ECM全局视图；其四，优异的光稳定性和组织穿透性支持长时间活体观测。未来，通过优化探针选择性（如区分特定糖链类型）或开发近红外变体，Rhobo6有望在临床活检、术中导航等领域拓展应用。这项技术不仅为发育生物学、肿瘤学等基础研究提供新工具，也为基于ECM动态变化的疾病诊断开辟了新可能。
[学术文献 ] 武汉大学基于预测蛋白结构的虚拟筛选高效挖掘植物糖基转移酶 进入全文
Plant Biotechnology Journal
2025年2月11日，武汉大学药学院、中南医院药学研究院鲁丽课题组在《Plant Biotechnology Journal》在线发表了题为“Structure-based virtual screening aids the identification of glycosyltransferases in the biosynthesis of salidroside”的研究论文。该研究利用基于蛋白结构预测和虚拟筛选方法，鉴定了新颖的参与红景天苷生物合成的糖基转移酶，为植物生物合成酶的挖掘与鉴定提供了新的视角。糖基化在植物天然产物的结构多样化中起着重要作用。鉴定高效的糖基转移酶也是合成有价值糖苷产物的关键步骤。然而，从大量的植物候选基因中对糖基转移酶（GTs）进行功能表征是一项劳动密集型且具有挑战性的工作。在前期的研究工作中，课题组发现落新妇（Astilbe chinensis）能合成红景天苷。经转录组测序，从众多基因中筛选出49个候选基因。通过蛋白结构预测与大规模分子对接，同时关注最优势构象下糖供体、糖受体与糖基化关键催化位点His氨基酸的距离和角度，最终鉴定出3个可能参与红景天苷生物合成的糖基转移酶基因。经实验验证，其中Ach15909具有极高催化活性。进一步对Ach15909的底物宽泛性和催化机理研究表明，除了结合口袋之外，糖基转移酶的N端和C端结构域之间连接区域也对酶的活性和底物宽泛性有重要影响。该研究不仅为红景天苷的绿色生物制造提供了高效的酶资源，还开创了植物酶挖掘的新范式。这种方法在挖掘非模式植物的次生代谢合成酶方面具有显著优势，尤其是在处理包含成千上万个候选基因的大型数据集时，能够有效提高筛选效率。
