N6-甲基腺嘌呤(N6-methyladenosine，m6A)是mRNA中含量最丰富的化学修饰之一，在各种生理病理过程中发挥关键性的作用。m6A修饰主要位于mRNA终止密码子附近和长的内部外显子上，然而导致这一特异性分布的机制却一直不清楚。近期发表的3篇论文揭示了外显子拼接复合体(exon junction complexes，EJCs)作为m6A修饰的抑制蛋白suppressors，塑造了m6A表观转录组的形成，解决了这一重大问题。由此，本文简要介绍了m6A修饰通路，并结合这些研究成果阐述了EJC对m6A修饰形成的作用和机理，进而说明外显子-内含子结构通过m6A修饰影响mRNA的稳定性，以期理解m6A这一RNA表观修饰领域的最新进展。
在哺乳动物卵子向胚胎转变过程中，卵子和胚胎中的转录在合子基因组激活之前都是沉默的，因此mRNA转录后修饰在此过程发挥着重要的作用。poly(A)尾巴是影响mRNA命运和翻译效率的一种重要的转录后修饰。随着测序技术和分析工具的进步，尤其是三代测序技术的发展，poly(A)尾的长度和组成能够被精确测量，极大地拓展了人们对于poly(A)尾在哺乳动物早期胚胎发育过程中的认识。本文对poly(A)尾研究方法的发展及其在卵子向胚胎转变中的研究进展进行评述，以期为哺乳动物早期胚胎发育和不孕不育相关疾病的研究带来新的思路。
古DNA领域首次从世界不同洞穴遗址的沉积物里提取古核基因组以揭示相关物种演化的突破性进展,标志着沉积物古DNA研究正式进入全基因组时代。近期,一种新的沉积物古核DNA富集方法成功从西班牙Estatuas洞穴沉积物里捕获多个尼安德特人的核DNA,揭示该灭绝古人类群体此前未知的人口更替的历史。沉积物古核DNA富集突破了古DNA研究依赖化石材料的限制,为深入探究远古不同人类群体在更宏大时空框架下迁徙、演化与适应的历史提供了更多可能。由此,本文将着重解读该研究带来的对尼安德特人遗传历史的新认识及其方法创新的重要意义;此外还将结合人类化石DNA及其他沉积物研究所发现的灭绝古人类线粒体DNA证据,厘清尼安德特人的种群多样性及其种群间分离或替代的历史。
哺乳动物胚胎发育起始于受精卵,受精卵依次形成桑椹胚和囊胚。同时,早期胚胎从输卵管迁入子宫,植入母体子宫后通过原肠运动形成原肠胚并进一步发育为新生个体。哺乳动物体内生命孕育方式造成研究取材和观察等方面的困难,阻碍了人类对哺乳动物胚胎发育过程的认识。因此,必需开发哺乳动物体外胚胎技术,以克服体内发育方式所带来的研究困难。2021年12月,Sicence杂志公布了2021年十大科学突破,“体外胚胎为人类早期发育研究开辟新的方向”位列其中。本文对哺乳动物体外胚胎的研究历史和最新进展进行评述,同时探讨这些新技术在相关领域研究中的应用,以期为人类早期胚胎发育和相关疾病研究带来启示。
真核细胞间期的染色质在细胞核中经过复杂的盘曲折叠,形成高级拓扑结构,这样的染色质结构空间组织对基因表达有重要影响。CTCF (CCCTC-binding factor)作为关键的染色质高级结构架构蛋白,对三维基因组结构的形成起到了重要作用。CTCF还可以与基因组内大量的绝缘子结合,影响染色质远程交互,实现对增强子和基因转录调控的绝缘效应。本文主要对近期美国圣裘德儿童研究医院Chunliang Li团队对于CTCF完全降解后发现染色质可及性发生变化的研究结果,上海交通大学系统生物医学研究院吴强团队、美国加州路德维希癌症研究所任兵团队对于CTCF结合位点充当绝缘子作用机制的最新结果进行部分点评及讨论。
由于植物细胞内同源重组频率较低、供体传递受限等原因,对植物基因组进行精准编辑十分困难。近期,中国科学院遗传与发育生物学研究所高彩霞团队构建了适用于植物的引导编辑器(plant prime editor, PPE)系统,并在重要作物水稻和小麦中完成了引导编辑。该系统不产生DNA双链断裂,仍可高度准确实现所有可能的12种单碱基替换、多碱基替换及片段缺失插入,从而为植物基因组精确编辑提供了多用途工具。本文介绍了PPE的组成结构和编辑能力,同时也结合其他研究组随后发表的报告综述了植物引导编辑器的优化探索,为合理使用PPEs和继续开展优化工作提供帮助。
通过定向进化(directed evolution)可以快速进行蛋白工程改良及重要基因功能研究,以获得新型农艺性状突变体。近期,中国科学院遗传与发育生物学研究所高彩霞团队和李家洋团队合作构建了新型的饱和靶向内源诱变编辑器(saturated targeted endogenous mutagenesis editors, STEMEs),并在植物中实现了基因的定向进化和功能筛选。该系统融合了现有的2种单碱基编辑技术,成功实现在植物体内同时诱导C:G>T:A、A:T>G:C双碱基编辑,通过靶向OsACC羧基转移酶结构域编码序列定向进化出水稻除草剂抗性植株。这种在体内进行基因定向进化的新方法,对于今后农作物重要农艺性状的筛选和功能基因研究具有重要作用。本文对STEME系统的组成、编辑效率和应用原理进行介绍,并与已有的定向进化方法进行比较,为加速作物种质资源创新研究提供参考。
“遗传补偿效应”(genetic compensation response, GCR)是近年来在斑马鱼(Danio rerio)中最先描述的一个遗传现象,是指当敲低某一个基因时有明显的表型,但此基因的敲除遗传突变体由于其他基因的上调反而没有表型。这种基因敲低和敲除表型上的差异并非斑马鱼所独有,在拟南芥(Arabidopsis thaliana)、小鼠(Mus musculus)等模式生物中都观察到此种现象。这种奇怪的现象一直困扰着基因功能研究。2019年4月3日,Nature同时在线发表两篇论文揭示了其中的奥秘,其中一篇来自于本实验室,另一篇来自于德国Stainier实验室。利用斑马鱼或小鼠培养细胞的不同基因的遗传突变体为模型,两个实验室分别证明无义突变与核酸序列同源性是激活遗传补偿效应的两个先决条件;无义mRNA介导的降解途径参与激活遗传补偿效应;同时还观察到补偿基因的高表达与其转录起始位点处的组蛋白H3K4me3修饰相关。本文具体介绍了这两篇研究论文中提出的“遗传补偿效应”分子机制的异同,以期为克服遗传补偿效应给基因功能研究带来的障碍提供新的思路和方法。
微生物防御系统是生物技术创新与发展的重要工具库,细菌限制性内切酶的发现催生了现代分子克隆技术,CRISPR系统的开发利用则使基因组编辑技术取得革命性突破。基于上述原因,微生物新型防御系统的发现与研究已引起各国科学家的重视,一些新的防御系统如pAgos和DISARM等相继被发现和研究。为进一步挖掘微生物中可能蕴藏着的其他未知防御系统,最近以色列科学家Sorek等报道了从海量的微生物基因组序列中系统性发现新型防御系统的研究策略,并且通过合成生物学思路鉴定了10种新型系统的抗病毒或抗质粒功能。本文将首先介绍Sorek团队系统性发现新型防御系统的研究工作,进而总结目前已知的主要微生物新型防御系统的可能机制,并对该领域的发展态势与挑战进行分析和展望。
时间生物学主要研究生物节律的产生及生物钟的运行机制,2017年诺贝尔生理或医学奖的颁布再次引发人们对该领域诸多科学问题的高度关注。生物钟与日月运行引起的环境信号周期性保持同步,有利于生物节律的相位和组织稳态的精确维持。本文介绍了生物节律现象的早期研究及随后生物钟理论体系建立的发展简史,并结合2017年诺贝尔生理或医学奖的解读阐述了果蝇生物钟基因的发现与分子调控机理,进而简单归纳当前时间生物学领域的前沿科学问题,阐明生物钟研究的意义。
近年发展起来的人工核酸酶可通过引起特定位点的DNA双链断裂实现对目的片段的有效编辑。为进一步提高碱基修改的效率和精确度,2016年研究者们利用CRISPR/Cas9识别特定DNA序列的功能,结合胞嘧啶脱氨酶的生化活性发明了将胞嘧啶高效转换为胸腺嘧啶(C>T)的嘧啶单碱基编辑系统(base editor)。这一系统虽然能精准实现嘧啶直接转换,大大提高精确基因编辑效率,但美中不足的是无法对嘌呤进行修改。近期,Nature报道了将细菌中的tRNA腺嘌呤脱氨酶定向进化形成具有催化DNA腺嘌呤底物的脱氨酶,将其与Cas9系统融合发明了具有高效催化腺嘌呤转换为鸟嘌呤的新工具—腺嘌呤单碱基编辑系统(ABEs, adenine base editors)。本文总结了单碱基编辑工具的发展历程和最新研究进展,着重介绍ABEs的研发过程,并对单碱基编辑工具今后的应用方向和研发方向进行展望。
DNA复制是生命体内必不可少的基本过程之一。传统研究显示DNA复制体中前导链和后随链的合成速度总体来说是一致的,从而避免在新生链中产生明显的单链缺口。主流的观点认为这是由于负责前导链和后随链的两个DNA聚合酶分子之间存在着某种协调同步机制。然而,Kowalczykowski实验室最近采用单分子荧光显微技术实时跟踪发现,大肠杆菌DNA复制体前导链和后随链上两个DNA聚合酶分子互相独立工作,并且都不是匀速行进而是呈现断断续续、时快时慢的随机动态变化。当DNA聚合酶暂停复制时,解旋酶仍会持续解链,导致解旋酶和聚合酶短暂的分离。有意思的是,此时DNA复制体触发一种类似“死人键”(dead-man’s switch)的保险机制,使DNA解旋的速度降低80%,从而恢复解旋酶和聚合酶的偶联。基于单分子水平的实时观察,他们认为前导链和后随链DNA复制进程均遵循一个符合高斯分布的随机模型。这与传统的生化研究观察到两者的合成速度总体来说是一致的并不矛盾。Kowalczykowski实验室的研究实现了从复制开始到结束整个过程对每个单分子行为的连续观测,而传统研究反映的则是经过较长时间对多分子群体平均水平的最终结果进行测定。因此,单分子技术可以极大地弥补传统生化研究的不足。随着未来单分子技术的进步和更广泛的应用,必将把包括DNA复制在内的生物学研究带到一个新的时代。
piRNAs(PIWI-interacting RNAs)是一类与PIWI相互作用的小非编码RNAs(small noncoding RNAs, sncRNAs),其长度介于24~32 nt,特异性地在动物生殖腺细胞中表达。近来研究表明piRNA/PIWI系统在动物生殖腺细胞的基因组转座元件沉默及转录后调控mRNAs方面具有重要功能。最近,中国科学院上海生物化学与细胞生物学研究所刘默芳课题组的一项研究表明,在人和小鼠的精子发生过程中,PIWI (鼠源同源蛋白MIWI、人源同源蛋白HIWI)的严格代谢调控至关重要。以此为契机,本文综述了piRNA/PIWI在哺乳动物(主要是小鼠和人)精子发生过程中调控功能的研究进展。
