基于CRISPR/Cas9基因编辑技术的本科教学实验体系的创建与实践

CRISPR/Cas9是新兴的基因编辑技术,在生命科学研究中发挥着重要的作用。将它引入本科生的实验教学,使本科生了解这项前沿科研技术很有意义。我们创建了一个基于CRISPR/ Cas9技术的本科教学实验体系。该实验体系侧重CRISPR/Cas9技术在哺乳动物细胞中的应用,选用一株基因组上被插入mCherry基因的小鼠胚胎成纤维细胞为实验材料,命名为STO-82。首先设计靶向mCherry的sgRNA,构建CRISPR-Cas9/sgRNA共表达质粒。经测序验证无误后,转染到STO-82细胞。采用流式细胞仪分析检测mCherry阴性和阳性两群细胞,分选出阴性单细胞并扩大培养。最后用测序检验单克隆细胞中靶标DNA序列的编辑情况。结果显示,靶位点有插入或缺失突变,说明体系创建成功。该实验体系将sgRNA设计、CRISPR-Cas9/sgRNA共表达质粒的构建、细胞转染、单细胞分选、单克隆细胞培养、测序序列分析等内容融合为一个综合实验,用于高年级本科生的实验教学。根据实际情况,将教学实践内容分解分块教学,也可以做完整性项目教学。本教学实践采用10人左右的小班分块教学,2人一组,经过3个班（共13组）的实践,绝大部分学生都能完成实验,得到预期结果。通过这个实验,学生加深了对CRISPR/Cas9技术的原理和实验流程的理解,锻炼了实验操作能力和严谨的科研思维,也使学生对该技术的医疗应用风险有了一些认识。     

Ⅲ型纤连蛋白组件包含蛋白5通过抑制ERK1/2磷酸化抑制C3H10T1/2细胞成脂分化

旨在探究Ⅲ型纤连蛋白组件包含蛋白5（typeⅢ domain-containing protein5,FNDC5）对C3H10T1/2细胞成脂分化的调控作用。利用qRT-PCR和Western 印迹检测FNDC5在C3H10T1/2细胞成脂分化过程中的时序性表达规律;构建慢病毒包被的过表达/干扰FNDC5载体,转染C3H10T1/2细胞,采用qRT-PCR检测成脂分化关键基因的表达情况,油红O染色检测脂滴含量,利用Western 印迹检测细胞外信号调节激酶（extracellularregulatedkinase1/2,ERK1/2）及磷酸化ERK1/2（P-ERK1/2）的表达水平。C3H10T1/2细胞成脂诱导分化8d,Fndc5的表达量明显升高（P＜0.05）;C3H10T1/2细胞中过表达FNDC5,成脂分化关键基因过氧化物酶体增殖物激活受体-γ（peroxisome proliferator--activated receptor-γ,PPARγ）、脂肪酸结合蛋白4（fatty acid binding protein 4,FABP4）和CCAAT增强子结合蛋白α（CCAAT enhancer binding protein alpha,C/EBPα）的表达量显著降低（P＜0.01）,CCAAT增强子结合蛋白β（CCAAT enhancer binding protein beta,C/EBPβ）表达量明显降低（P＜0.05）,脂滴含量明显减少,P-ERK1/2的含量明显降低（P＜0.05）。C3H10T1/2细胞中干扰FNDC5,成脂分化关键基因PPARγ、C/EBPβ、FABP4和C/EBPα的表达量显著升高（P＜0.01）,脂滴含量明显增加,P-ERK1/2的含量明显升高（P＜0.05）。本研究发现,FNDC5可以通过抑制ERK1/2的磷酸化水平,抑制C3H10T1/2细胞的成脂分化,为FNDC5调控脂肪沉积的机制研究提供参考数据。     

运动与阿尔茨海默病：基于Tau蛋白翻译后修饰视角的研究述评

阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease,AD）是一种与年龄有关的神经退行性疾病,严重危害老年人的身心健康,给社会带来巨大的经济压力。但目前其发病机制尚不完全明确,临床仍无根治的有效方法。Tau蛋白是一种微管相关蛋白质,能够参与维持微管相关结构稳定,具有可溶性且不会聚集。在AD病理状态下,病人脑内Tau蛋白结构和功能异常。异常的Tau蛋白聚集成不可溶的神经纤维缠结,损害微管运输能力,导致病人认知功能障碍。Tau蛋白结构和功能的改变是由多种翻译后修饰过程来调控的,即将特定的化学修饰基团与Tau蛋白N-端或C-端结合,直接改变蛋白质的性质和功能。AD病人脑内Tau蛋白的磷酸化、糖基化、乙酰化及SUMO化等多种翻译后修饰异常,与Tau蛋白的降解和毒性物质的聚集密切相关。本文综述近年来的研究后发现,运动可以通过改善Tau蛋白翻译后的某些异常修饰来预防和改善AD,主要作用方式如下：(1）运动可通过抑制GSK 3β和MAPK等蛋白激酶活性来抑制Tau蛋白的过度磷酸化,可能通过上调PP2A活性来促进Tau蛋白去磷酸化;(2）运动可通过提高GLUT1和GLUT3蛋白质水平,可能通过调节OGA和OGT活性平衡,提高蛋白质O-GlcNAc糖基化水平;(3）运动可能通过AMPK/mTORC1途径抑制p300以及激活SIRT1,降低Tau蛋白乙酰化水平;同时运动还可能通过抑制HDAC6,改善Tau蛋白KXGS基序异常乙酰化程度;(4）运动可能通过调节磷酸化与SUMO化共定位点,改善Tau蛋白异常SUMO化水平。     

高温胁迫影响红掌生长发育的研究进展

红掌原产于南美洲热带雨林, 其具有色彩艳丽的佛焰苞, 在适宜的条件下可周年开花, 是一种具有极高观赏价值的盆花和切花植物。夏季高温严重影响红掌的生长和观赏价值, 增加了红掌的种植成本。对高温胁迫影响红掌外观形态、光合作用、细胞膜热稳定性、渗透调节物质、保护酶活性进行了讨论分析, 对高温褪色机理及其应对措施进行了归纳总结, 以期为进一步开展红掌耐热生理的研究和筛选抗高温种质资源提供参考, 对解决红掌的高温褪色问题有着重要的现实意义。     

苦丁茶中绿原酸及其异构体的提取变化分析

以富含绿原酸类成分的苦丁茶(Ilex kaushue)为材料,使用溶剂甲醇、乙醇、丙酮和水,结合超声波提取、水浴提取、回流提取等方法对绿原酸及其异构体的提取效率及提取后各异构体的变化进行分析。应用超高效液相色谱法可使苦丁茶的6种绿原酸类成分及咖啡酸在6 min内实现分离。提取结果表明,丙酮作为提取溶剂,在采用超声波和水浴提取时能获得较高的提取效率,易获得较多总量的绿原酸类成分和高含量异绿原酸A。而最常用的溶剂乙醇并未达到理想的提取效果。在不同溶剂的回流提取中,虽然提取的绿原酸类成分总量接近,但异绿原酸A和异绿原酸C含量有较大差异。醇溶液特别是乙醇溶液的回流提取使异绿原酸C的量大幅增加,而相应的异绿原酸A的量大幅减少,表明在醇加热条件下,异绿原酸A转化为异绿原酸C,这为获得抗氧化性更强的异绿原酸C提供了新思路。     

6个品种樱花在北京地区的适应性研究

为丰富北京地区樱花种植品种,选择大渔樱(Cerasus×kanzakura ‘Tairyo-zakura’)、修善寺寒樱(Cerasus×kanzakura ‘Rubescens’)、阳春(C. spachiana ‘Yoshun’)、天之川(C. serrulata ‘Erecta’)、兰兰(C. serrulata ‘Ranran’)、红华(C. serrulata ‘Kouka’)等6个品种樱花进行实验性种植。在田间观测的基础上,测定低温胁迫下根系脱氢酶活性、枝条脯氨酸含量,高温胁迫下叶片的电导率、可溶性蛋白含量。结果表明,6个品种中,随着温度下降,6个品种樱花根系脱氢酶还原量、枝条脯氨酸含量均呈现先上升后下降的趋势。大渔樱、修善寺寒樱、兰兰在-10 ℃时脱氢酶活性与脯氨酸含量达到最大值,阳春、天之川、红华在-15 ℃脱氢酶活性与脯氨酸含量达到最大值。6个品种的叶片相对电导率,均随着温度的上升不断升高。而叶片可溶性蛋白含量变化趋势,品种间差异较大。阳春、天之川、红华在北京地区适应性良好,大渔樱、修善寺寒樱、兰兰可在小环境较好的区域栽植。     

辽宁省三级保护植物木根黄芩考证及其与京黄芩比较形态学研究

木根黄芩(Scutellaria planipes Nakai et Kitag.)是唇形科黄芩属(Scutellaria L.)多年生草本,目前仅发现在辽宁省凌源市境内有零星分布,被辽宁省列为三级保护植物。该种发表于1934年,但《中国植物志》、Flora of China、《中国生物物种名录》均将其定为京黄芩(Scutellaria pekinensis Maxim.)的异名。为了阐明二者的差异性,本文首先对木根黄芩的原始文献、模式标本、模式产地、历史分布区及现今发现地进行考证,其次对二者进行差异比较研究,认为木根黄芩与京黄芩无论在分布范围和生境上,还是在宏观外部形态和微观花粉粒形态上均存在明显差异,确定木根黄芩为独立种,同时还对木根黄芩的果实进行形态补充描述。本文确定木根黄芩独立种的地位,对保护野生木根黄芩具有重要意义,同时对其药用价值的进一步研究提供了更为清晰的样本。     

北京市主城区不透水面时空演变及其热环境效应研究

城市不透水面是表征城市化进程的重要指标,开展城市不透水面研究对生态环境监测及城市建设规划具有重要意义。以北京市主城区为研究区,基于Landsat影像采用支持向量机(SVM)和线性光谱混合分解模型(LSMM)相结合的方法提取研究区2002年、2009年和2017年三期不透水面;同时采用辐射传输方程法反演研究区地表温度,分析北京市主城区不透水面时空格局演变及其与城市热环境的相关性。研究结果表明:2002—2017年,北京市主城区近15年不透水面聚集度较高且呈持续增长趋势,东、西城区不透水面面积占比最高,朝阳区和海淀区不透水面增长速率和增长强度相对较大。北京市主城区不透水面呈放射状扩张趋势且增长集中在四环以外的区域,不透水面盖度高值区面积不断增加。研究区近15年地表温度持续升高,热岛效应加剧,地表温度高值区与城市建筑区空间分布存在一致性。不透水面空间格局与热环境高度相关,不透水面的斑块密度和破碎度与地表温度呈负相关,斑块所占景观比例及最大斑块指数与地表温度呈正相关,可通过合理控制相关景观指标、优化不透水面空间格局控制地表温度。在此基础上提出了缓解城市热岛效应的建议:增加树木、草地等用地类型;将不透水面分割成许多小斑块,减少大面积不透水面区域分布;使用透水性材料等。     

姜黄素通过抑制凋亡信号调节激酶1减弱PM2.5短期暴露致大鼠子宫损伤

细颗粒物(PM2.5)是空气动力学直径 ≤ 2.5 μm的颗粒物,能诱发多种疾病。已有大量的流行病学调查证实,PM2.5能够损伤生殖系统,但其致病机制不明确,相关的研究也非常有限。为研究PM2.5短期暴露对大鼠子宫的损伤,以及姜黄素（curcumin, CRC）对其保护作用,本研究将50只雌性SD大鼠随机分为生理盐水对照组、PM2.5暴露组、低剂量姜黄素组（PM2.5+CRC-L）、高剂量姜黄素组（PM2.5+CRC-H）和维生素E干预组（PM2.5+VE）,连续暴露30 d。经PM2.5短期暴露,暴露组雌鼠子宫内膜上皮细胞萎缩,组织结构模糊,内膜腺体细胞和基质细胞排列混乱。给予姜黄素和VE后,子宫内膜损伤明显降低。TUNEL检测凋亡结果显示,PM2.5暴露组子宫组织细胞凋亡率 (48.81±8.27)%明显高于对照组凋亡率（P<0.05）。与PM2.5暴露组相比,姜黄素能降低PM2.5诱发的子宫细胞凋亡,且PM2.5+CRC-H组细胞凋亡率(20.79±3.63)%明显低于暴露组（P<0.05）。与对照组相比,PM2.5暴露组子宫组织活性氧（ROS）含量明显升高（P<0.05）,总抗氧化能力（T-AOC）含量明显降低（P<0.05）;给予姜黄素和VE,能不同程度地缓解子宫氧化应激反应。Western印迹结果显示,与PM2.5暴露组相比,姜黄素和VE能够明显抑制因PM2.5暴露诱导的凋亡信号调节激酶1(ASK1)、c-Jun氨基末端激酶(JNK)、p38 蛋白激酶(p38)磷酸化,以及胱天蛋白酶-3（caspase-3）的活化 (P<0.05)。由此可见,姜黄素能够明显减轻PM2.5短期暴露诱发的子宫损伤,这可能与其抑制ASK1介导的JNK-p38-caspase-3细胞凋亡信号通路有关。     

受体相互作用蛋白质激酶3通过上调整合素β3促进骨关节炎相关病变

骨关节炎（osteoarthritis,OA）是最常见的慢性致残性关节疾患,目前尚无针对病因的有效治疗手段。程序性坏死在多种疾病中扮演关键角色,受体相互作用蛋白质激酶3（receptor-interacting protein kinase 3, RIP3）是程序性坏死进程的关键调控因子。有研究显示,RIP3在人与鼠骨关节炎退变软骨组织中表达水平显著上调,提示程序性坏死的发生,但RIP3在软骨中的具体病生理角色仍不明确。本研究拟对过表达RIP3前后的软骨细胞转录物组进行测序分析,探索RIP3在骨关节炎进程中发挥作用的具体机制。RNA测序结果显示,RIP3的过表达诱发软骨细胞中244个基因表达上调,277个表达下调。通过进一步构建基因间共表达作用网络,筛选出16个候选靶基因在mRNA水平进行验证,证实RIP3对磷脂酰肌醇3激酶调节亚单位5（phosphoinositide-3-kinase, regulatory subunit 5,Pik3r5）、整合素β3（integrin subunit beta 3,Itgb3）及成髓细胞瘤转录因子第2亚型（MYB proto-oncogene like 2,Mybl2）的表达上调作用最为显著。CCK-8以及乳酸脱氢酶活性检测结果表明,利用siRNA沉默Itgb3的表达可显著抑制RIP3诱发的软骨细胞活力下降及程序性坏死,同时也抑制了RIP3对软骨细胞中分解代谢相关基因Mmp1、Mmp13与Il6的表达上调作用,以及其对合成代谢相关基因Acan、Col2a1与Sox9的下调作用。本研究证实,RIP3通过上调软骨细胞中Itgb3的表达诱发软骨细胞坏死与软骨基质代谢紊乱,并最终导致软骨退变,为骨关节炎的临床治疗提供了新靶点,同时进一步明确了程序性坏死的病理生理学意义。