摘要：

Cell | 基于C-CRISPR的异种囊胚互补技术首次在小鼠体内构建大鼠前脑组织

异种囊胚互补技术(interspecies blastocyst com-plementation，IBC)不仅为研究组织器官发育提供了良好的平台，在解决供体器官紧缺问题中也展示出巨大的应用潜力。然而传统囊胚互补技术涉及基因敲除动物的构建和繁育，过程繁琐且周期长，不利于特定器官发育过程中的关键基因筛选。2024年4月25日，Cell在线发表了美国德克萨斯大学西南医学中心吴军课题组、中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心杨辉课题组和周海波课题组、中国科学院动物研究所郭帆课题组合作的题为“Generation of rat forebrain tissues in mice”的研究论文(doi：10.1016/j.cell.2024.03.017)。在该研究中，研究人员开发了基于C-CRISPR的异种囊胚互补技术(C-CRISPR-based blastocyst complementation，CCBC)，并利用此技术筛选出参与前脑形成的关键基因Hesx1，成功在小鼠体内构建出具有完整结构和生理功能的大鼠来源的前脑组织。该研究不仅首次培育出异种大脑组织，还揭示在异种组织发育过程中器官大小和发育速度受到非细胞自主机制调控，而器官转录组特征受到细胞自主机制调控。在同一期Cell杂志，Kristin Baldwin等以小鼠囊胚作为宿主，将大鼠或不同小鼠品系干细胞注射到小鼠囊胚中，产生了具有功能性神经回路的嵌合大脑(doi: 10.1016/j.cell.2024.03.042)。这些结果显示不同物种的干细胞可以与宿主大脑同步发育。异种囊胚互补技术不仅在组织器官再生领域内具有极大的应用前景，还为组织器官发育过程中基因调控网络、细胞互作，以及行为功能上的探索提供了良好的研究工具。■推荐人：陈悦，曾安

Cell Metabolism| 揭示睡眠不足如何影响肿瘤的发生

睡眠是大脑的重要功能，昼夜节律是调节睡眠的主要因素之一。研究发现睡眠与机体的多种生理功能密切相关，而睡眠不足会引发多种疾病，例如肿瘤的发生。肿瘤进展过程中，随着昼夜节律紊乱改变了许多代谢过程的振荡。睡眠不足是否通过昼夜节律影响代谢从而促进肿瘤的发生并不清楚。2024年5月20日，大连医科大学肿瘤干细胞研究院刘强实验室在Cell Metabolism上发表了题为“Oncogenic fatty acid oxidation senses circadian disruption in sleep-deficiency-enhanced tumorigenesis”的研究论文(doi: 10.1016/j.cmet.2024.04.018)，该研究发现睡眠不足通过紊乱脂肪酸氧化(fatty acid oxidation，FAO)节律增强肺肿瘤的发生。在睡眠剥夺(sleep-deficiency，SD)增强的肺肿瘤发生过程中，FAO作为昼夜节律传感器，感知到SD引起的昼夜节律紊乱。长链脂肪酰基辅酶A合成酶1 (ACSL1)催化的棕榈酰辅酶A (PA-CoA)持续增多，促进了肺肿瘤的进展。在机制上，SD促使节律蛋白CLOCK过度激活ACSL1产生PA-CoA，通过ZDHHC5对CLOCK-Cys194发生S-棕榈酰化修饰。这种转录-棕榈酰化正反馈回路阻止了CLOCK的泛素-蛋白酶体降解，维持SD增强的肿瘤细胞干性。而在黎明定时进行β-内啡肽处理，则可以重置节律基因和Acsl1的表达，减轻睡眠不足增强的肿瘤发生。睡眠质量和血清β-内啡肽水平与肿瘤发展及CLOCK/ACSL1表达呈负相关，提示黎明补充β-内啡肽可能是对SD相关癌症患者的一种潜在时间治疗策略。■推荐人：黄正云，张勇

Nature| 核散斑体周围的基因组三维空间组织驱动mRNA的剪接效率

细胞核内高度有序，使得参与不同RNA类别的转录和加工因子被限制在特定的核内小体内，这种空间分布有助于协调和调控基因表达过程，确保有效的转录和RNA加工。核散斑体(nuclear speckles)作为细胞核内重要的核内小体，由高浓度的蛋白质和非编码RNA组成，在调控pre-mRNA的剪接过程中发挥着重要作用，对于维持细胞内基因表达的平衡和准确性至关重要。然而，核散斑体在mRNA剪接过程中扮演的功能角色尚不清楚。2024年5月8日，美国加州理工学院Mitchell Guttman团队在Nature上发表了题为“Genome organization around nuclear speckles drives mRNA splicing efficiency”的研究论文(doi: 10.1038/s41586-024-07429-6)，详细阐述了核散斑体在驱动剪接体浓度和控制mRNA剪接效率中的关键作用。该研究利用SPRITE(split-pool recognition of interactions by tag extension)技术测量核散斑体周围的染色质接触频率，构建了人工定向招募pre-mRNA的实验系统，并比较了不同细胞类型之间的剪接效率差异。这些研究结果揭示了基因组三维空间组织结构与mRNA剪接效率之间的关系，提出了一个新的机制来解释转录和剪接过程的耦合。该研究提出了“三维基因组组织如何推动mRNA剪接”的完整模型。新生pre-mRNA对剪接因子有很高的亲和力，并且由于Pol II密集区域含有最高浓度的新生pre-mRNA，这些基因组区域可以与核散斑体内富集的剪接因子实现多价接触。由于核散斑体内含有高浓度的剪接因子，这些多价接触可能促使这些基因组DNA位点与核散斑体结合。靠近核散斑体的基因组区域和pre-mRNA具有比距离更远区域更高水平的剪接体。在核散斑体邻近区域局部集中pre-mRNA、基因组DNA和剪接体会导致剪接效率增加，而在相同水平上转录的远离核散斑体的基因剪接效率不高。总体来说，该结果表明核内小体可以协调细胞核内的调控过程并确保强烈的非线性控制的新机制。除了核散斑体外，还有许多其他类似的将RNA加工酶与其共转录的DNA和RNA靶标组织在一起的核内小体结构。例如，包含新生rRNA位点和rRNA加工因子的核仁(nucleolus)，含有组蛋白mRNA和组蛋白加工因子的组蛋白基因座小体(histone locus bodies, HLBs)，以及富含snRNA及其加工因子的卡哈尔小体(Cajal body)。在这些例子中，这些核内小体围绕它们处理的活跃转录基因而组织构象。这种结构安排可能在协调RNA加工的共转录效率中扮演了重要角色。具体来说，将编码新pre-RNA及其相关调控因子的基因组DNA在细胞核内组装起来可能增加了这些因子的局部浓度，从而将RNA加工的效率与这些专门的RNA的转录耦合。这种组织将使这些RNA加工酶在它们产生时定位到它们的靶标上，确保精确和高效的共转录过程。这种空间和时间上协调这些过程的重要性可能解释为什么所有已知的RNA加工类别都与特定的核内小体相关联，以及为什么核内小体的破坏是各种人类疾病的常见特征。■推荐人：张铧坤

Nature Biotechnology|卟啉及其衍生物的高效异源合成

卟啉及其衍生物广泛应用于医药、食品以及材料等领域。近期，华东理工大学张立新和谭高义团队在Nature Biotechnology上以“High-yield porphyrin production through metabolic engineering and biocatalysis”为题报道了利用光合细菌Rhodobacter sphaeroides作为底盘细胞，采用合成生物学策略并结合偶联酶催化实现了卟啉化合物的高效生产的研究工作(2024年6月5日在线发表，doi: 10.1038/s41587-024-02267-3)。他们基于CRISPRi的关键基因筛选将hemN确定为提高粪卟啉III (copropor¬phyrin III, CPIII)产量的靶标，利用PrrA的磷酸化并通过分批补料发酵，获得了16.5 g/L的CPIII。进一步通过CRISPR/Cas12a技术筛选获得更优的酶催化元件，不仅实现了CPIII的高效酶促转化，还合成了包括具有抗肿瘤活性的锌卟啉和具有多种功能和用途的多种金属卟啉。该工作为卟啉及其衍生物的绿色制造提供了全新的策略。■推荐人：刘钢

Nature Genetics|基因组学引领的前育种：解锁基因库多样性，助力小麦品种改良

基因库用于保护植物遗传资源的多样性，存储的丰富种质资源可用于作物品种改良。由于缺乏有效信息和方法，基因库资源的育种应用仍处于理论阶段。通过整合全基因组测序、全基因组关联分析和全基因组选择等方法，可以推动这一进程进入实践阶段。德国莱布尼茨植物遗传与作物研究所Jochen C. Reif实验室专注于冬小麦研究，利用存储在IPK基因库中的7651份种质和INRAE基因库的2608份种质，以及325份当代优异种质的测序数据，成功鉴定了上千个受选择位点和多个外源渗入片段，发现了基因库中独有的30个小麦条锈病抗病单倍型和对应的23个种质，以及111个具有高产潜力的种质。通过将这些种质作为育种亲本材料，与当代优异种质杂交，然后进行多次自交或回交，有望培育出高产抗病小麦新品种(2022年10月4日在线发表，doi: 10.1038/s41588-022-01189-7)。该研究不仅关注基因组层面，通过数据分析方法挖掘潜在的有利等位变异；还以基因库中未利用的种质资源为对象，通过与当代优异种质杂交和产量与抗病性评估等试验，在近万份的种质中筛选出可直接应用于前育种过程的亲本材料，对未来作物改良具有应用价值。■推荐人：裴贺，郭婷婷