摘要：

Cell | 基于转录起始图谱解析哺乳动物早期发育中基因与转座元件的表达调控机制

胚胎基因组激活(embryonic genome activation，EGA)是植入前发育的一个重要标志，在此过程中胚胎发育调控由母源因子主导转变为胚胎自主基因表达调控。这一过程伴随着广泛重编程，包括组蛋白修饰的重建和转录因子的全局性重结合。然而，EGA期间如何实现对数千个基因时空特异性转录的精确调控，仍是发育生物学领域亟待解决的重要科学问题。哺乳动物基因组中含有大量的转座元件(transposable elements，TEs)，在小鼠和人类基因组中占比高达50%。虽然已有研究表明，在部分物种的EGA时期，转座元件会发生转录，包括ERVL和LINE L1，但目前仍缺乏对哺乳动物早期发育过程中转座元件表达及调控功能的系统性研究。2025年2月20日，德国慕尼黑亥姆霍兹慕尼黑表观遗传学与干细胞研究所Maria-Elena Torres-Padilla团队在Cell上发表了突破性研究成果(doi: 10.1016/j.cell.2024.12.013)。该研究团队基于Smart-seq2开发了具有同步获取单细胞或单胚胎的转录信息并覆盖全长转录本能力的高灵敏度测序技术Smart-seq+5′，通过对小鼠、猪、牛、兔和猕猴5种哺乳动物跨越34个关键发育阶段胚胎的系统分析，绘制了EGA前后动态转录图谱。该研究鉴定出19,657个由转座元件驱动的嵌合转录本，证实转座元件在早期发育过程中被广泛征用为转录调控元件，其表达模式同时呈现跨物种保守性和物种特异性，反映了进化过程中调控网络的保守与分化。进一步研究发现，多种转座子家族(包括LTRs、SINEs、LINEs和DNA转座子)均可作为替代启动子驱动宿主基因转录，其中DNA转座子MER5A在全部研究物种中均表现出启动子活性，而MLT1A0在EGA期间特异性激活宿主基因转录。该研究系统揭示了转座元件转录起始活性在哺乳动物进化中的保守性与特异性双重特征，为理解早期胚胎发育中宿主基因与转座元件的协同调控网络提供了新的理论框架，对发育生物学和进化生物学研究具有重要启示意义。■推荐人：刘茜，岑山

Cell | COOL1基因的自然变异助力玉米高纬度耐寒适应

在全球气候变化的背景下，提升作物对低温逆境的适应能力具有重要意义。玉米作为重要的粮食作物，其在高纬度寒冷地区的种植受到低温胁迫的限制。因此，阐明玉米耐寒机制有助于推动其种植区域向更高纬度拓展。近期，中国农业大学杨淑华教授团队在Cell上发表了题为“A natural variant of COOL1 gene enhances cold tolerance for high-latitude adaptation in maize”的研究论文，首次揭示了玉米适应高纬度低温环境的分子基础(2025年1月22日在线发表，doi: 10.1016/j.cell.2024.12.018)。该研究通过全基因组关联分析，鉴定出调控玉米耐寒性的核心转录因子COOL1。研究发现，COOL1通过直接抑制低温响应基因DREB1/CBF和海藻糖合成关键基因TPS的表达，从而负调控玉米的耐冷能力。进一步研究表明，COOL1启动子区域的自然变异影响了光信号转录因子HY5对其启动子区的结合活性，从而引发COOL1表达差异及耐寒表型差异。此外，低温可激活钙依赖蛋白激酶CPK17的激酶活性，诱导COOL1磷酸化并增强其蛋白稳定性，进而抑制玉米的耐寒性。进化起源分析显示，COOL1的耐寒单倍型Hap A主要分布于美洲大陆北部高纬度寒冷地区，而冷敏感单倍型Hap B则分布于低纬度温暖地区。这表明COOL1的自然变异在玉米对高纬度寒冷气候的适应过程中发挥了关键作用。综上，该研究系统阐明了COOL1介导的玉米高纬度耐寒分子机制，为玉米在寒冷地区的品种改良和精准分子育种提供了全新策略。■推荐人：王群，宋任涛

Nature | 多代家系全景图谱揭示人类新生突变率

并非来自父母遗传而是在个体中“新出现”的变异被称作从头突变(de novo mutation，DNM)，是遗传多样性与疾病发生的重要来源。然而长期以来，人们对这些突变的真实频率和模式的认识一直受限于技术瓶颈。美国华盛顿大学Eichler团队与犹他大学等机构合作，通过整合PacBio HiFi、Oxford Nanopore等5种互补的测序技术，对一个四代、28名成员的家系进行了近乎完整的“端粒到端粒”(T2T)单倍型基因组组装，构建了迄今最完整的人类新生突变参考数据集(2025年4月23日在线发表，doi: 10.1038/s41586-025-08922-2)。该研究发现：人类基因组每传递一代，平均会产生98~206个从头突变，包括74.5个从头单核苷酸变体、7.4个非串联重复插入缺失、65.3个从头插入缺失或源自串联重复序列的结构变异，以及4.4个着丝粒从头突变；其具有强烈的父系偏向性(70%~80%的新生突变源自父系)。Y染色体突变率高达1.99×10⁻⁷/碱基/代，其中90%集中于异染色质区域(Yq12卫星区)，其突变率是常染色质区域的10倍以上。此外，约16%的从头SNVs为合子后突变(PZMs)，这些突变没有表现出父源偏向，其中12%可遗传至后代，为遗传变异增加了新的维度。研究还发现，32个高频突变的串联重复(TR)位点在跨代传递中呈现反复突变的特征，而结构变异可干扰着丝粒凹陷区域的动粒结合位点，暗示潜在表观遗传效应。通过多平台整合与四代家系验证，该研究显著提升了高度重复区域(如Y染色体异染色质和着丝粒)的突变检测灵敏度，揭示了传统测序难以捕捉的变异模式。该研究首次系统解析了着丝粒、端粒等复杂区域的突变规律，为遗传病机制和进化研究提供了标准数据集。尽管部分重复区域覆盖度仍有不足，但多代家系图谱为突变研究树立了新范式。■推荐人：冯衍帅，姜雨

Science | 细菌抗病毒新范式“DRT9”：逆转录酶与非编码RNA共同介导的新策略

逆转录酶通常存在于RNA病毒中，并且以RNA作为模版逆转录合成DNA，利用这种机制，已经将其开发成各式各样的分子生物学工具。然而，原核生物中也编码了大量逆转录酶相关基因，近期的一些研究暗示它们可能与细菌防御有关，但具体发挥了什么生理功能有待进一步探索。2025年5月1日，南方科技大学医学院稳态医学研究院生物化学系副教授贾宁团队揭示了一种由细菌逆转录酶DRT9和非编码RNA共同介导的新型抗噬菌体免疫策略(doi: 10.1126/science.ads4639)。他们通过研究发现，噬菌体侵染细菌时，其编码的核糖核苷酸还原酶 NrdAB 促使宿主细胞内 dNTP 浓度迅速升高，为噬菌体基因组DNA合成提供原料。细菌DRT9免疫系统通过感知细胞内dATP浓度的升高被激活，逆转录合成大量富含poly-A序列的单链cDNA。这些长链poly-A-rich cDNA成为单链DNA结合蛋白(SSB)的优良结合底物，通过扣押噬菌体复制必需的SSB蛋白，阻断噬菌体的复制，从而保护细菌。这一发现拓展了人们对逆转录酶生物学功能的认识，并为基于DRTs的生物技术工具开发提供了重要基础。■推荐人：梁海华

Science | 复杂结构变异塑造竹节虫的适应性演化多态

结构变异在生物体基因组中广泛存在，如今越来越多的研究证明其在生物演化过程中发挥重要作用，影响生物体对不同环境的适应，引发新物种的形成，产生更复杂的生物多样性。然而，这些结构变异发生的复杂性和在驱动局部适应中的作用尚不清楚。2025年4月18日，法国功能与演化生态学中心Patrik Nosil教授团队在Science上发表了题为“Adaptation repeatedly uses complex structural genomic variation”的研究论文(doi: 10.1126/science.adp3745)。该团队以竹节虫(Timema cristinae)为研究材料，通过比较不同生态型个体的基因组序列，发现其隐蔽性体节色彩图案的适应性分歧是由于复杂的结构变异反复驱动的，而并非单纯的染色体倒位事件。该研究发现，这些结构变异在不同竹节虫的群体中是独立起源的，但发生变异的区域有部分是重叠的且包含与颜色图案相关的基因，这表明了其演化过程的重复性。同时，研究还发现这些结构变异在地理梯度上受到不同的选择作用，并且是在没有种间基因渗入的情况下独立发生的。这些结果揭示了结构变异在驱动生物体适应性演化中的重要作用，随着基因组学技术的持续发展，这一现象将在更多生物体或系统中得到验证。■推荐人：何昊，吕雪梅