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[学术文献 ] 江西省农科院等发表稻属超级泛基因组图谱 进入全文
Nature Communications
2024年11月18日，河北大学杜会龙教授团队与江西省农业科学院颜龙安院士团队合作，在Nature Communications发表题为“Genome evolution and diversity of wild and cultivated rice species”的研究论文。该研究通过组装稻属中13个近乎完整的野生稻物种的基因组，并结合已公开的普通野生稻、亚洲栽培稻和非洲栽培稻基因组数据，首次在基因组水平上重构了稻属的进化关系，揭示了各物种的进化轨迹。同时，研究团队构建了目前最为全面的稻属超级泛基因组图谱。利用这些丰富的基因组资源，研究人员进一步挖掘出大量在栽培稻中尚未发现的新基因家族，为水稻的遗传改良和品种创新提供了重要的基础。该研究选择了13种极具代表性的野生稻，其中包含6种异源四倍体和7种二倍体类型。使用PacBio HiFi测序技术和Hi-C测序技术，研究人员成功实现了染色体水平的基因组组装。这些野生稻在地理分布上跨度广泛，表型特征丰富多样，基因组大小显著差异，展现出高度的复杂性和多样性。基于这些高质量的基因组数据，研究人员成功重构了稻属的进化谱系，揭示了稻属物种的遗传演变轨迹。这一发现为深入研究水稻的起源和演化提供新的视角，有助于理解水稻的驯化过程、物种形成机制以及适应环境变化的策略。通过整合已公开的普通野生稻、亚洲栽培稻以及非洲栽培稻基因组数据，研究团队成功构建了目前最为全面的稻属超级泛基因组，其涵盖了多达101723个基因家族。其中，稻属所共有的核心基因家族占比达9.84%，重要的是，该研究新发现了63,881个在栽培稻中未曾被发现的基因家族。该超级泛基因组蕴含了大量有价值的基因资源，极大地拓展了水稻遗传改良可利用的基因资源池。该研究在不同水稻材料间鉴定出了大量的结构变异（SVs），包括2,781-10,656个插入序列2,680-10,419个缺失序列、4-52个易位以及7-22个倒位。研究发现，野生稻中SVs的数量更多且长度普遍更大。此外，等位基因变异分析显示，野生稻在等位基因数量以及多样性方面也显著超越栽培稻。这表明野生稻蕴藏着更为丰富的遗传多样性。这些丰富多样的变异不仅为解析水稻适应复杂环境的机制提供了关键线索，同时也为培育高产、优质且抗逆性强的水稻新品种提供了宝贵资源。
[学术文献 ] 北京大学等揭示Kozak基序影响翻译效率机制 进入全文
Nature Communications
2024年11 月 14 日，北京大学陈雪梅、Hang Runlai （第一作者）联合华南农业大学尤辰江共同通讯在Nature Communications在线发表题为 “HOT3/eIF5B1 confers Kozak motif-dependent translational control of photosynthesis-associated nuclear genes for chloroplast biogenesis” 的研究论文。该研究将Kozak基序与翻译过程中eif5b介导的I-E转换联系起来，并揭示了HOT3在叶绿体生物发生和光合作用的细胞质翻译控制中的功能。在这里，通过核糖体分析，作者确定了全基因组I-E转换效率。该研究发现，在拟南芥、水稻和小麦中，最普遍的Kozak基序与高I-E转换效率相关，从而暗示了Kozak基序在促进I-E转换方面的潜力。事实上，在拟南芥中，Kozak基序促进翻译的作用依赖于HOT3/eIF5B1。HOT3以Kozak基序依赖的方式优先促进光合作用相关核基因的翻译，这解释了HOT3突变体叶绿体缺陷和光合作用活性降低的原因。在所有真核生物中，信使RNA （mRNA）的胞质翻译是一个在细胞稳态和重编程的巨大调控下的过程。在真核生物中，启动子AUG的三重密码子被核糖体中的蛋氨酸基启动子tRNA （Met-tRNAiMet）识别，这是由AUG周围的Kozak共识序列促进的，该序列在动物中具有-3位置的嘌呤和+4位置的鸟嘌呤（AUG的a被指定为+1）。虽然在植物中也观察到-3和+4位置的一致核苷酸，但它们的核苷酸特征在不同的植物物种之间存在差异。最优的Kozak共识序列被认为具有更高的翻译效率，然而，其基础机制尚未在任何生物体中得到很好的研究。此外，在任何生物体中都缺乏对各种Kozak基序介导的翻译起始效率的系统评估，这阻碍了我们对通过顺式调控元件介导的进化保守的翻译调控机制的理解。对植物中Kozak基序介导的翻译控制的分子理解将最终有利于在气候变化中保持作物产量的新技术的发展。在拟南芥中，HOT TEMPERATURE 3 (HOT3)/eIF5B1 （AT1G76810）是eIF5B家族四成员之一。丧失功能的hot3突变体如hot3-2和hot3-3表现出多效性表型，如叶片淡绿色、侏儒症和对热胁迫的适应缺陷，而其他三个基因的突变体没有发育异常表型。HOT3优先影响一个基因子集。在hot3突变体中，约1000个转录本的多体关联减少，而在相似数量的其他转录本中多体关联增强。最近，我们报道了HOT3在18S rRNA 3 '端成熟中抑制rRNA衍生的小干扰rna （risiRNAs）的生物发生的新作用。然而，HOT3在翻译起始中的功能独立于其在调控risiRNAs中的作用。HOT3优先影响转录本子集的机制仍然难以捉摸。叶绿体是植物光合自养生长所必需的光合作用活性质体。因此，叶绿体生物发生和维持对于植物发育过程中的细胞重编程和体内平衡至关重要。越来越多的证据表明，叶绿体的生物发生也需要在翻译水平上对PhANGs进行动态控制。在去黄化过程中，当幼苗从土壤中出来并第一次遇到光时，光促进PhANGs的翻译，开始从腐质体到叶绿体的转化。PhANGs的光诱导翻译是由光受体光敏色素A通过抑制组成型光形态形成1 （COP1）介导的雷帕霉素靶蛋白（TOR）和核糖体蛋白S6 （RPS6）活性的抑制而介导的。PhANGs的翻译也在昼夜循环中动态调节，并且可以在黑暗处理下迅速抑制。eIF4G亚基的植物特异性同工型eIFiso4G1和eIFiso4G2被证明是翻译PhANGs所必需的。来自番茄的富含甘氨酸的rna结合蛋白SlRBP1与真核翻译起始因子SleIF4A2相互作用，促进PhANG转录物的翻译。尽管取得了这些进展，但PhANGs作为一个群体的选择性翻译控制机制仍然难以捉摸。通过比较野生型和HOT3 -2型植物在营养幼苗建立和生殖花序发育这两个涉及叶绿体生物发生的发育阶段的核糖体占有谱，作者揭示了HOT3在全基因组范围内促进从翻译起始(I)到延伸(E)过渡的功能。HOT3的功能缺失导致翻译起始位点（TIS）的核糖体普遍停滞，这表明从起始位点到延伸位点（I-E）的过渡存在缺陷。利用TIS和基因体的核糖体足迹，该研究定义了起始密码子的相对停顿（rPS）指数，定量评估I-E转换效率。利用rPS指数，作者对64个简化Kozak基序的I-E转换效率进行了综合分析，这些基序由TIS周围的-3/+4/+5核苷酸定义。该研究结果表明，最普遍的Kozak基序具有较高的I-E转换效率和较低的rPS指数值，这种现象在拟南芥、水稻和小麦中都是保守的。值得注意的是，需要HOT3进行有效I-E转换和翻译的转录本具有最佳的A/GC Kozak共识，并且富含PhANGs，特别是那些编码类囊体膜上光合机构蛋白质的转录本。HOT3功能失调导致这些基因在I-E转换过程中出现严重缺陷，翻译效率（TE）降低，蛋白质丰度降低。这反过来又导致叶绿体缺陷，表现为类囊体层减少和光合作用异常。总的来说，这一研究揭示了Kozak基序与eif5b介导的从翻译起始到延伸的转变之间的遗传联系，并揭示了HOT3/ eif5b1介导的细胞质翻译起始促进叶绿体生物发生和优化光合作用的机制。
[学术文献 ] 南方医科大学揭示IFN-γ诱导的I型干扰素应答网络新机制 进入全文
PNAS
2024年11月14日，南方医科大学毕恩广，徐啊白和Yu Hu共同通讯在PNAS（IF=9.4） 在线发表题为 “Augmenting antitumor efficacy of Th17-derived Th1 cells through IFN-γ-induced type I interferon response network via IRF7” 的研究论文。该研究通过对单细胞RNA测序（scRNA-seq）数据的再分析，在肿瘤组织中发现了Th171细胞的存在。随后的轨迹分析显示，这些Th171细胞最初在Th17条件下被激活，然后转化为分泌IFN-γ的细胞。沿着体内Th171细胞的分化轨迹，研究人员成功建立了体外Th171细胞培养体系。转录组分析显示，体外生成的Th171细胞与肿瘤浸润性Th171细胞在基因表达上具有高度相似性。Th171细胞展现出比Th1或Th17细胞更强的抗肿瘤反应。此外，基于Th171的嵌合抗原受体T细胞（Th171 CAR-T）在消灭实体瘤方面表现出更高的效率。值得注意的是，Th171细胞显示出早期耗竭表型，同时保留干性特征。在机制上，Th171细胞通过依赖细胞外基质蛋白1（ECM1）的途径表现出更快的迁移能力，并在肿瘤中更高效地积累。此外，研究表明，IFN-γ通过上调IRF7促进I型干扰素反应网络和ECM1表达，同时降低了Th171细胞的耗竭状态。综上所述，该研究将Th171细胞定位为改进针对实体肿瘤免疫治疗的理想候选者，为开发更有效的癌症治疗策略提供了新思路。
[学术文献 ] 美国国家癌症研究所RAS促癌新机制 进入全文
Nature Cancer
2024年11月11日，美国国家癌症研究所的Douglas R. Lowy和Brajendra K. Tripathi团队在Nature Cancer 发表题为“The pro-oncogenic noncanonical activity of a RAS•GTP:RanGAP1 complex facilitates nuclear protein export”的研究文章，结果发现出人意料的RAS促癌新机制。研究发现一个非典型的RAS-GTP活性功能，能够增加依赖于核输出蛋白1（XPO1）的核组蛋白赖氨酸甲基转移酶EZH2向细胞质输出，导致抑癌蛋白被降解，进而促进癌症发展。研究还证实，KRAS的这一促癌活性独立于经典的PI3K/AKT和RAF/MEK信号通路，指出了经典KRAS抑制剂疗效有限的潜在原因，还为KRAS抑制剂联合疗法提供新思路。RAS基因是癌症中第二大常见的突变基因。KRAS蛋白通过与GTP和GDP的结合调控自身活性。KRAS基因发生突变，蛋白构象随之改变，导致KRAS蛋白持续处于活化状态，激活下游信号通路，造成细胞内信号转导紊乱，造成细胞不可控制的增殖生长，促进肿瘤的发生发展。这次全新机制的发现始于偶然。研究团队一直在研究重要的抑癌基因：肝癌缺失基因1（DLC1）。他们在3年前的研究中发现，在肺癌中细胞质中的EZH2会甲基化DLC1的一个特定赖氨酸残基，导致DLC1通过泛素化方式降解，这一过程可能与KRAS有关。但是这一发现让研究团队充满困惑，EZH2是核蛋白，怎么会跑到细胞质里去消灭抑癌蛋白呢？研究首先证实EZH2与负责核蛋白进入细胞质的核输出蛋白1（XPO1）存在互作。通过敲除KRAS或抑制XPO1都会导致细胞质中EZH2减少，抑癌蛋白DLC1水平增加。且KRAS-G12C特异性抑制剂Sotorasib与XPO1抑制剂联用，也会导致细胞质中EZH2减少。研究结果说明KRAS调控细胞质中抑癌蛋白DLC1的表达水平。通过单独使用或联用MEK抑制剂或PI3K抑制剂，不会影响细胞质中EZH2或DLC1蛋白水平，说明KRAS对XPO1的作用独立于经典KRAS信号通路。研究人员认为KRAS通过XPO1影响细胞核蛋白向细胞质输出的机制主要包括四步。首先，Ras相关核蛋白Ran•GTP、XPO1和EZH2在细胞核中形成三聚体复合物，然后经核孔复合体穿过核孔，并与细胞质中的NUP358结合，接着细胞质中的RAS-GTP与RanGAP1形成复合物，将EZH2释放到细胞质中，最后细胞质中的EZH2将抑癌蛋白DLC1甲基化，使其泛素化并降解。DLC1的活性降低还与AKT、SRC激酶有关。研究团队发现KRAS抑制剂联合AKT抑制剂和SRC抑制剂抗癌效果增强。因此将SRC抑制剂与KRAS抑制剂联用，可能会提升抗癌效果。总之，本研究对RAS/RAF/MAPK通路在调控细胞增殖、分化和存活的分子机制提出新见解，为RAS抑制剂联合治疗提供新思路。
[学术文献 ] 农科院发掘影响番茄糖含量的关键基因 进入全文
Nature
2024年11月13日，中国农业科学院黄三文团队在Nature杂志在线发表了题为“Releasing a sugar brake generates sweeter tomato without yield penalty”的研究论文，该研究鉴定了两个基因，番茄（Solanum lycopersicum）钙依赖性蛋白激酶27 (SlCDPK27；也被称为SlCPK27)和它的同源物SlCDPK26，它们控制着水果中的糖含量。它们通过磷酸化蔗糖合酶起到糖刹车的作用，从而促进蔗糖合酶的降解。基因编辑的SlCDPK27和SlCDPK26敲除使葡萄糖和果糖含量增加了30%，在不影响果实重量或产量的情况下提高了感知甜味。虽然突变体的种子数量更少，重量更轻，但它们表现出正常的发芽。番茄是世界上最有价值的蔬菜作物，对人类饮食的整体健康和营养做出了重大贡献。可溶性固形物含量是影响番茄果实品质的关键因素之一。糖，主要是果糖和葡萄糖，在番茄果实中大约占总SSC的55%到65%，占总固体的50%。糖含量和糖酸比是影响口味的主要因素，约占消费者总体喜好的一半。大多数消费者更喜欢更甜的西红柿。高含糖量对加工番茄的经济价值也有积极的促进作用；当生产糖浓度为28%的番茄酱时，将SSC从4%增加到5%可以减少原料消耗高达25%。作物驯化是一个动态的、持续的过程，强烈地反映了人类的偏好。番茄驯化的一个明显特征是果实尺寸的大幅增加，栽培的番茄比野生祖先大10-100倍。然而，这些产量的增加导致了糖含量的降低。果实重量和含糖量之间的强烈负相关关系可能与驯化和改良过程中高糖等位基因的丢失有关，因为光同化物质必须分配到较大的果实中。由于产量和果实大小是行业选择品种的主要决定因素，打破糖含量和产量之间的负相关关系将是一个重大突破，特别是对消费者而言。研究人员最近分析了33种与消费者偏好和味道强度特别相关的化学物质，得出了20个性状的251个相关位点。两个位点与葡萄糖和果糖含量均显著相关，分别对应两个主要的数量性状位点LIN5和SSC11.1。在这里，研究人员在SlCDPK27的启动子中发现了一个与SSC11.1位点的高糖等位基因相关的12个碱基对（bp）插入。此外，SlCDPK27及其同源物SlCDPK26的基因组编辑使葡萄糖和果糖含量增加了30%，而不影响果实重量或产量，这为在不牺牲大小或产量的情况下在大果实品种中设计更甜的西红柿提供了机会。总之，该研究提供了对控制番茄果实糖积累的调控机制的见解，并为在不牺牲大小和产量的情况下增加大果品种的糖含量提供了机会。
[学术文献 ] 哈佛大学开发具有更高的生产效率和递送效率病毒颗粒 进入全文
Nature Biotechnology
2024年 11 月 13 日，美国哈佛大学刘如谦、Aditya Raguram共同通讯在Nature Biotechnology（IF=33）在线发表题为 “Directed evolution of engineered virus-like particles with improved production and transduction efficiencies” 的研究论文。该研究报告了一个用于eVLP实验室进化的系统，该系统能够发现具有改进特性的eVLPs变体。该系统使用装载在无DNAa eVLPs包装货物中的条形码向导RNAs来唯一标记库中的每个eVLPs变体，从而能够在选择所需属性后识别所需变体。将该系统应用于突变和选择具有改进的eVLPs生产性能或人类细胞转导效率的eVLP衣壳。通过结合有益的衣壳突变，开发了第五代（v5）eVLPs，与之前最好的v4 eVLPs相比，它在培养的哺乳动物细胞传递能力提高了2-4倍。对v5 eVLPs的分析表明，这些衣壳突变优化了所需核糖核蛋白货物的包装和递送，而不是天然病毒基因组，并大大改变了eVLP衣壳结构。这些发现表明，条形码eVLP进化有可能支持改进eVLP的发展。安全有效地将大分子输送到培养（体外）和体内（体内）相关细胞群的能力是许多新兴治疗方式的要求。例如，当前的基因编辑技术常常受到将基因编辑剂输送到体内和体外相关细胞类型的挑战的限制。包括临床试验在内，腺相关病毒（AAV）等病毒载体已被用于将基因编辑剂输送到体内的几种组织中。然而，AAV的递送受到“货物”大小限制，不需要的DNA货物整合到转导细胞基因组的可能性以及基因编辑剂在转导细胞中的长时间表达的限制，这增加了脱靶编辑的风险。一些非病毒传递方法，包括脂质纳米颗粒（LNPs），通过瞬时传递编辑器编码的mRNA而不是DNA，减少了脱靶编辑；然而，尽管最近取得了令人鼓舞的进展，但使用LNP递送在肝外组织中实现治疗性基因编辑仍然具有挑战性。最近，已有研究探索了使用病毒样颗粒（VLPs）作为载体，在体外或体内将基因编辑剂输送到细胞中。VLPs由病毒支架组成，用于包装和递送货物蛋白、核糖核蛋白（RNPs）或mRNAs，而不是编码货物的病毒基因组。因此，VLP传递提供了病毒传递方法的高效转导和组织趋向性，具有瞬时货物表达和减少非病毒传递方法的脱靶编辑，是基因编辑应用的理想组合。研究人员最近开发了工程化的VLPs(eVLPs)，可以在细胞培养和小鼠肝脏和视网膜中高效地传递蛋白质和进行基因编辑。在eVLPs中，所需的货物蛋白与逆转录病毒Gag（衣壳）蛋白融合，当货物在产生细胞中形成时，将其定位为病毒颗粒。Gag-cargo连接体包含一个序列，该序列经过精心设计，在颗粒形成后由共包装的逆转录病毒蛋白酶以精心调整的速率进行切割，从而将颗粒内的货物释放到转导的细胞中。此外，eVLPs的细胞类型特异性由用于假型颗粒的包膜糖蛋白决定。该研究开发了一个定向进化系统，在该系统中，每个eVLP变体都将装载有向导RNAs的RNPs打包，该向导RNAs包含唯一标识特定eVLP变体的条形码序列。在应用特定属性的选择后，通过对幸存的条形码向导RNAs进行测序来鉴定所需的eVLP变体。利用该系统，生成了一个eVLP衣壳突变体库，并进行了选择，以确定支持从生产细胞中提高eVLP产量或改善目标细胞eVLP转导的衣壳突变体。通过结合有益的衣壳突变，开发了v5 VLPs，与之前最好的v4 VLPs相比，它具有增加的RNP包装，改善的货物释放，独特的衣壳结构组成和2-4倍的体外递送效力。v5 eVLP的一个关键衣壳突变消除了一种相互作用，这种相互作用对于在野生型病毒中包装病毒基因组至关重要，但在缺乏病毒基因组的RNP-包装eVLP中却不需要，这突出了突变和明确选择eVLP衣壳来包装非天然RNP货物而不是病毒基因组的好处。该研究结果为改进性能的eVLPs的发展奠定了基础。
