编委推荐

2023-01-31 20:29
遗传 2022年8期
关键词:基因簇推荐人单细胞

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Cell | 另辟蹊径破解小麦条锈病的基因密码

小麦条锈病是由条形柄锈菌小麦专化型(f. sp.,)引起的真菌病害,在全世界范围内危害小麦()生产。培育和种植持久抗性小麦品种是控制小麦条锈病最有效的方法。由于病原体突变导致免疫受体逃避检测,因此抗病基因经常失效。而易感基因(基因)突变介导的抗性常具持久性与广谱性。近日,西北农林科技大学康振生院士和王晓杰教授率领植物免疫研究团队在揭示小麦受基因保护的分子机制方面取得突破性进展,为抗病育种提供了有力工具。他们发现小麦感染条锈菌后,真菌诱导受体样细胞质激酶TaPsIPK1与效应子PsSpg1特异性互作,通过增强激酶活性和TaPsIPK1进入细胞核促进寄生。TaPsIPK1磷酸化转录因子TaCBF1d。TaCBF1d的磷酸化改变了其下游基因的转录活性。因此,TaPsIPK1 和PsSpg1增强TaCBF1d磷酸化可能会重新编程靶基因表达,干扰植物防御反应,从而促进病原体感染(2022年7月14日在线发表,doi: 10.1016/j.cell.2022. 06.027)。在2年的田间试验中,小麦中的CRISPR-Cas9失活赋予了对的广谱抗性,且不影响重要的农艺性状。该研究首次揭示了由PsSpg1-TaPsIPK1-TaCBF1d在小麦条锈病易感基因中触发的新的磷酸化转录调控机制,为通过作物遗传修饰培育持久抗性品种提供了新策略。■推荐人:孔令让

Science | 利用“合成调控重建”机制揭示哺乳动物Hox基因簇调节机制

在动物组织和器官的发育过程中,基因簇一直扮演着重要角色,精确的基因表达对胚胎构型至关重要。若基因突变或调控发生变化而失活,细胞便会随之丢失。美国纽约大学生物学副教授Esteban Mazzoni曾说:“若不了解基因,我们就无法很好理解发育或疾病机理。”受合成生物学和生化重建方法的启发,来自美国纽约大学的Sudarshan Pinglay等研究人员通力合作,利用合成调控重构机制揭示了哺乳动物基因簇调节机制(2022年7月1日发表,doi: 10.1126/science.abk2820)。该研究团队建立了“合成调控重建”(synthetic re­gulatory reconstitution)机制,人工合成大鼠的基因簇变体,并将其送至小鼠胚胎干细胞内的一个精确位置。研究发现,在人工合成的基因簇中,视黄酸响应元件(RARE)的突变使得该变异基因簇对视黄酸(RA)的响应完全消失,得知对视黄酸的响应是RA通过与内转录因子的结合实现的。此外,研究人员在上述含RARE突变的基因簇变体中加入远端增强子,发现其在转录早期虽增加了特异基因的转录活性,但不能完全填补正常表型的缺失,说明远端增强子与基因簇内激活子结合只会提高转录量,对于特异活化基因是非必要的。该项研究使人们能探索基因簇变体在不同调控层面的不同能力,展示了“合成调控重建”的力量,为对其他基因组进行类似分析打开了大门,为未来研究人类复杂疾病及动物胚胎发育等铺平了道路。 ■推荐人:何昊、吕雪梅

Nature Cell Biology | 解旋酶ZNFX-1通过形成核周凝聚体将RNAi沉默效应延伸至后代

RNA介导的干扰(RNAi)是一种通过利用小RNA(sRNAs)来调节基因表达的保守机制。RNAi的核心机制是RNA诱导沉默复合体(RISC),其由单链RNA组成,长度约为20个碱基,与Argonaute蛋白结合后发挥作用。RISC识别互补RNA,并通过降低RNA稳定性或减低翻译效率来实现基因沉默。某些RISC会识别新生转录物,通过阻断RNA聚合酶等方式干扰新生转录的进行。在秀丽隐杆线虫()中,sRNAs靶向的转录物被用作sRNAs扩增的模板,以将沉默反应延伸到下一代。同时,在线虫的核周凝聚体Nuage中的调控因子Argonaute、WAGO-4、ZNFX-1可能也与RNAi遗传有关,但这些因子是否参与sRNAs的扩增并不清楚。美国约翰霍普金斯大学医学院Geraldine Seydoux 研究团队近期揭示了RNAi导致与两个平行的sRNAs扩增通路相关的新生和成熟转录物分布的可遗传变化(2022年6月24日发表,doi: 10.1038/ s41556-022-00940-w)。在这项研究中,研究人员检测了(通过喂食)暴露于基因特异性dsRNA触发器的动物中mRNAs的命运。HRDE-1又被称为WAGO-9,是特异性表达在生殖细胞系中Argonaute。研究结果表明,HRDE-1虽然足以部分沉默核内位点,但不足以实现沉默状态的稳定遗传。同时还需要涉及ZNFX-1的第二个通路。ZNFX-1是一个含有SF1解旋酶结构域的锌指蛋白,定位于核周凝聚体Nuage中。研究人员发现ZNFX-1负责靶向mRNA定位到核周凝聚体,与具有poly(UG)尾的sRNAs靶向转录物相互作用,可以在子代中维持pUGylation和稳定的sRNAs扩增。第一个通路依赖于核Argonaute HRDE-1,以新生转录物为靶点,减少但不消除位点上的高效转录。第二个通路依赖于保守的解旋酶ZNFX-1,靶向成熟转录物并将其浓缩在核周凝聚体Nuage中,防止RNAi沉默反应过早消失,并将沉默反应延伸到下一代。■推荐人:史岸冰

Nature Biotechnology | 单细胞多组学数据整合与调控推断方法GLUE

单细胞测序技术目前已实现多种不同组学种类的单细胞检测,整合分析不同组学的单细胞数据有助于更全面地刻画细胞内的基因调控状态、揭示调控机制。然而,与传统的bulk数据相比,单细胞多组学数据具有规模大、噪声高的特点,且多组学观测通常来自非配对的细胞,为整合分析带来了重大计算挑战。近日,北京大学/昌平实验室高歌团队发布了基于图耦联策略的深度学习方法GLUE (2022年5月2日在线发表,doi: 10.1038/s41587-022- 01284-4),可利用组学特征间的先验调控关系帮助建立“语义一致”的多组学隐空间,从而克服不同组学特征空间的差异将非配对单细胞数据整合在一起,并综合先验调控信息与单细胞多组学数据的统计相关性实现可靠的转录调控推断。系统的评测实验显示GLUE具有很高的整合准确性,并且对不准确的先验信息表现出很好的鲁棒性。GLUE可扩展性强,可以有效处理百万级单细胞组学数据,目前代码已完全开源(https://github.com/gao-lab/GLUE)。■推荐人:崔庆华

Science | 揭示玉米和水稻趋同选择的奥秘

玉米、水稻和小麦作为迄今驯化最为成功的三大农作物,为全球人类提供了50%以上的能量摄入。这些作物驯化在长期的改良和选择过程中发生了什么,是否遵循了共同的遗传规律是一个重大的基础科学问题。中国农业大学杨小红、李建生实验室和华中农业大学严建兵实验室合作鉴定了一个调控玉米穗行数的基因以及其在水稻中的同源基因,编码一种WD40蛋白,与功能未知蛋白DUF1644互作调控玉米穗行数与水稻穗粒数(2022年3月25日在线发表,doi: 10.1126/ science.abg7985)。该研究从全基因组水平共检测到玉米和水稻中490对经历趋同选择的同源基因对,其在淀粉及蔗糖代谢和辅因子生物合成等途径中显著富集。进一步研究显示,的功能缺失能够在不影响其他农艺性状情况下,显著提升籽粒产量。这表明淀粉不仅是谷物类植物在种子中存储能量的主要成分,也是水稻和玉米能够被驯化成主要粮食作物的重要原因,不仅有助于深入认识和理解农作物的进化和改良过程,而且对加速作物的育种进程和为从头驯化创制新型作物提供有价值的信息。■推荐人:张克春,宋任涛

Cell | 肢体发育相关基因在指纹花纹形成中发挥关键作用

指纹是存在于指尖皮肤上的凹凸纹路,因其恒定性及高遗传性,已成为目前研究最广泛的肤纹类型。指纹花纹如何形成?何种基因在其中发挥了主导作用?人类对指纹花纹这类表型形成的生物学机制仍知之甚少。中国科学院营养与健康研究所汪思佳和复旦大学金力院士等研究团队精确量化了2万余人的指纹花纹,鉴定出43个与人类指纹花纹相关的遗传基因座,并发现这些基因显著富集在肢体发育与形成,而非皮肤发育的相关通路。其中,3q26.2区域临近基因突变也会改变小鼠的相应皮纹特征。此外,研究还发现指纹花纹与手指长度比例广泛相关,并具有共同遗传基础(2022年1月6日在线发表,doi: 10.1016/j.cell.2021.12.008,复旦大学遗传工程国家重点实验室李金喜博士为论文第一作者)。本研究为认识指纹花纹发育的生物学基础作出了开拓性的工作,为肤纹与人体其他表型与疾病的关联研究提供了重要理论基础,为人类表型组研究提供了经典案例,充分展现了人类表型组学对生命科学未来发展的重大意义。■推荐人:卢大儒

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