2015年中国微生物遗传学研究领域若干重要进展

中国微生物遗传学研究在2015年取得了重要进展。本文回顾了2015年度中国本土科研团队在微生物遗传学领域取得的若干重要科研进展,扼要介绍了若干重点论文,展示了中国科学家在本领域的学术贡献。在基础微生物遗传学领域,明确了调控基因表达的一系列重要生物大分子的组成、结构和功能,解析了微生物免疫系统识别外源核酸片段的分子基础,阐明了多个微生物来源重要活性物质的生物合成途径及新颖的酶学反应过程,发现了微生物基因表达调控的新机理,在微生物发育、进化与群体行为生物学方面也取得一定进展。在工业微生物遗传学方面,阐明了微生物制造及其分子基础。在病原微生物遗传学方面,研究了多个致病菌的遗传调控,明晰了致病菌-宿主相互作用的遗传机制,在基因组水平解析了微生物耐药、新发病原和环境微生物的遗传机理,为致病菌防控新措施的研发提供了基础。在微生物多样性与环境微生物遗传学方面,展示了利用微生物遗传多样性的特点通过催化获得特定手性的化合物具有较好应用前景,肠道微生物组学研究方兴未艾。     

编者按: 表观遗传与基因组，且行且相随

表观遗传学是遗传学的伴生学科,发源于对多个不能被传统遗传学理论解释的意外现象的探究．早在1930年,诺贝尔生理学或医学奖得主Hermann Muller就观察到了第一个经典的表观遗传学现象,位置效应花斑现象(position effect variegation)．随后果蝇中的多梳基因沉默(polycomb silencing)、哺乳动物中的X染色体失活(X chromosome inactivation)和基因组印迹(genomic imprinting)、植物中的副突变(paramutation)等经典表观遗传现象先后被发现．对这些现象的机制研究逐渐使科学家理解到这些现象的本质是染色质对基因表达的调控．染色质的组成、结构、修饰、重塑等等都承载着表观遗传信息,它们既响应基因的转录状态,也调节基因的转录． 表观遗传体系具有基因组所不具备的可塑性,从而将一个基因组以几百个表观基因组和几百个转录组的形式呈现,使得多细胞生物能够有效地实现细胞形态与功能的分化;同时表观遗传体系具有一定的可继承性,使得每一个表观基因组能够相对稳定地存在,保证了每种细胞形态与功能的相对稳定,也使得同类细胞的增殖成为可能．总之,表观遗传伴生于基因组,帮助生命体利用同一套基因组实现多种细胞形态的分化与稳定． 表观遗传调控的分子机制、生理意义和新型研究手段始终是表观遗传研究的中心．作为《生物化学与生物物理进展》的客座编辑,此次很荣幸邀请到了国内多位表观遗传领域的精英,为杂志撰写了本期表观遗传学综述专刊．在本期专刊中,作者们基于围绕表观遗传调控的分子机制,对组蛋白去乙酰化酶的结构及应用、染色质重塑、组蛋白变体的染色质装配、30 nm染色质高级结构、非组蛋白修饰和DNA甲基化修饰展开讨论;同时对这些表观遗传机制在微生物、植物、动物中的作用,从细胞水平、发育水平到重编程事件进行论述;此外,专刊还涉及新兴的研究手段冷冻电镜技术在表观遗传研究中的应用． 通过这一专刊,我们希望向读者介绍表观遗传领域的新进展、新动向,也希望能向读者展示国内科学家在表观遗传学领域研究中亮丽的冰山一角．     

2015年中国医学遗传学研究领域若干重要进展

2015年中国医学遗传学稳步发展,众多具有原创性的研究论文在国际顶级杂志上发表。中国科学家在医学遗传学的诸多领域,如罕见疾病的致病基因、复杂疾病的易感基因、癌症的体细胞突变、遗传学新方法新技术、疾病相关微小RNA(microRNA,miRNA)、疾病相关长链非编码RNA(Long non-coding RNA,lncRNA)、疾病相关竞争性内源RNA(Competing endogenous RNA,ceRNA)、疾病相关可变剪接和分子进化等研究领域均取得了突破性的进展。中国科学家在医学遗传学研究中逐步从常见变异延伸到罕见变异,从遗传学现象的描述到功能机制的确证,从单组学分析扩展至多组学数据整合,从基础研究走向临床应用。同时,中国科学家的研究成果引起了国际同行的高度关注。本文概括性综述了2015年中国科学家在医学遗传学领域取得的若干重要研究进展,旨在追踪当前中国医学遗传学领域发展的前沿,与国内读者分享我国科学家在该领域取得的重要成果以及研究思路。     

果蝇研究技术与资源的开发

黑腹果蝇(Drosophila melanogaster)是进行生物医学研究的理想模型,但研究过程往往受到遗传工具和品系资源的限制,无法有效地调控目的基因表达,阻碍实验的深入开展。为了方便果蝇领域的实验室开展研究,我们首先开发并优化了基于CRISPR/Cas9的基因组编辑技术,随后研发了转录激活系统和新一代转基因干扰技术,最终可以简单高效、准确特异地调控目的基因表达。同时,利用这些遗传学新技术,我们构建了相应的基因敲除、转基因转录激活、转基因干扰的果蝇品系资源库,使清华大学果蝇中心成为世界上最重要的果蝇技术和资源中心之一。这些新技术以及相应的果蝇资源,正在被国内外果蝇研究领域的实验室所应用,对发育和疾病等相关研究发挥着广泛的促进作用。     

RNAi研究进展

基因阻断技术近年来发展迅速。双链RNA介导的、序列特异的转录后基因沉默的过程称为RNAi(RNA interence)。它作为新肖的基因阻断技术,自1998年发现到现在已有很大进展。迄今,在果蝇、线虫、锥虫、小鼠及哺乳动物中相继发现存在RNAi现象。目前许多学者以果蝇、线虫为对象做了RNAi的大量研究人,并相继提出了其作用机制模型。RNAi可能是生物体中存在的一种普遍现象,代表了一古老的细胞反应通路。因此RNAi有望成为今后分析人类基因组功能的有力工具,并可能用于基因的特异治疗。     

综合信息

中国遗传学会首届全国秀丽线虫学术研讨会第一轮通知秀丽线虫(Caenorhadits elegans)是研究动物遗传、个体发育及细胞生命活动的重要模式动物。近年来,国际上以秀丽线虫为实验材料的生命科学研究取得了重要突破,分别在2002年和2006年两次获得诺贝尔生理医学奖。在国内,越来越多的科研人员开始将秀丽线虫应用于自己的研究领域。2008年第三届东亚秀丽线虫学术会议(The Third East Asia C.elegans Meeting)也将在中国举办。     

极性蛋白Crumbs胞内域功能保守性研究

跨膜蛋白Crumbs(Crb)是细胞顶部的决定因子,对上皮细胞顶-底极性的建立和维持起着关键的作用。其胞内域虽然仅有37个氨基酸,但对Crb的功能必不可少。在果蝇(Drosophila melanogaster)中,如果胞内域发生突变,将造成胚胎发育异常、上皮细胞顶底极性丧失等严重后果。Crb胞内域从果蝇到小鼠(Mus musculus)和人类(Homo sapiens)具有很高的同源性,但线虫(Caenorhabditis elegans)两个Crb蛋白的胞内域与果蝇和哺乳动物却较为不同。为验证线虫Crb蛋白胞内域是否功能保守,本文利用基因组工程法(Genomic engineering),将果蝇基因组中Crb基因编码胞内域的部分替换为一致性和相似性较远的线虫Crb2基因的相应区段。与其他Crb胞内域突变果蝇不同,替换突变体胚胎发育正常,Crb及其他极性蛋白的表达和定位正常,胚胎上皮细胞顶底极性能够正确的建立和维持。这些结果证实虽然线虫和果蝇Crb蛋白胞内域之间存在大量序列变异,但重要的氨基酸位点和功能模块则完全保守。     

基于全基因组关联的中国常见肿瘤遗传病因学研究

肿瘤是基因-环境交互作用引起的复杂性疾病.在同样的环境暴露下,不同遗传背景的个体发生肿瘤的风险有很大差异.研究肿瘤相关遗传因素对理解肿瘤发生发展乃至诊断治疗都有重要意义.近年来发展的全基因组关联研究(genome-wide association study,GWAS)可在全基因组范围内发现与复杂疾病或表型关联的遗传因素,为复杂疾病遗传学研究提供了强有力的手段.欧美研究者运用全基因组关联研究的方法,对各种常见肿瘤进行了研究,获得了重要成果.2010年以来,中国科学家在国际核心期刊发表了一系列高水平的肿瘤全基因组关联研究成果,在中国常见肿瘤的遗传病因学研究方面取得了重要进展.     

靶向基因编辑技术在秀丽隐杆线虫中的应用

遗传突变体和转基因是生物学研究的基础,是揭示生物体内各个基因相互作用的生物学研究对象.秀丽隐杆线虫(Caenorhabditis elegans)是遗传学研究的模式生物,如何有效地诱导特定基因发生突变和构建转基因线虫品系是秀丽线虫遗传学研究的两个重要方面.近些年来,靶向基因编辑技术迅速发展,使得科研人员可以在秀丽线虫中快速而高效地编辑特定基因.本文就线虫中靶向基因编辑的方法,特别是CRISPR/Cas9技术,以及目的线虫品系的筛选进行了综述.     

CRISPR/Cas9系统在培育抗病毒植物新种质中的应用

随着CRISPR/Cas9系统在基因组编辑技术上的开发和完善,CRISPR/Cas9系统在应用于动物病毒感染性疾病防治并取得相当成效的同时,也逐步被应用到对植物病毒基因组进行高效靶向修饰的研究中。CRISPR/Cas9系统对基因组靶向修饰作用不仅实现了对植物DNA病毒基因组序列的编辑,还展示了其有效作用于植物RNA病毒基因组的潜力,同时CRISPR/Cas9系统还能在基因转录和转录后调控水平发挥作用,说明该系统具有通过多种途径调控植物病毒复制的潜能。相对其他植物病毒病防治策略,该系统对病毒基因组的编辑更精准、对基因表达的调控更稳定,对病毒病的抗性也更为广谱。本文将CRISPR/Cas9系统与其他植物病毒病防治策略进行了比较,概述了该系统在培育植物抗病毒病新种质中的优势,分析了其具体应用在该领域中面临的主要问题,讨论了该系统在培育抗病毒植物新种质应用中的发展趋势。     

动物基因组编辑中提升CRISPR/Cas9介导的同源重组效率研究进展*

基因组编辑技术可以对DNA或RNA进行精准改造,极大地促进了生命科学的发展。CRISPR/Cas9系统在靶位点诱导DNA发生双链或单链损伤,细胞对损伤部位采用无供体模板的非同源末端连接(non-homologous end joining,NHEJ)或有供体模板的同源重组(homologous recombination,HR)修复。基于HR的基因组编辑策略通常被用于获得DNA的精准改造,而NHEJ在动物DNA损伤修复中起主导作用。为了提升HR效率,研究人员设计了多种方案,包括CRISPR/Cas9系统优化和DNA修复通路调控等。从DNA损伤修复途径、Cas9变体选择、sgRNA设计、供体模板设计、DNA修复途径相关蛋白功能调控、供体模板募集效率提升、细胞周期调控及编辑细胞生存效率提升等方面详细综述了相关研究成果,发现尚未开发出放之四海而皆准的HR提升策略,基于HR的基因组编辑需要针对具体案例制定个体化策略。旨在为动物基因组编辑中提升CRISPR/Cas9介导的HR效率研究提供理论参考,为动物基因功能分析、基因治疗和经济动物基因编辑育种提供帮助。     

Efficient Gene Knockout in Goats Using CRISPR/Cas9 System

The CRISPR/Cas9 system has been adapted as an efficient genome editing tool in laboratory animals such as mice, rats, zebrafish and pigs. Here, we report that CRISPR/Cas9 mediated approach can efficiently induce monoallelic and biallelic gene knockout in goat primary fibroblasts. Four genes were disrupted simultaneously in goat fibroblasts by CRISPR/Cas9-mediated genome editing. The single-gene knockout fibroblasts were successfully used for somatic cell nuclear transfer (SCNT) and resulted in live-born goats harboring biallelic mutations. The CRISPR/Cas9 system represents a highly effective and facile platform for targeted editing of large animal genomes, which can be broadly applied to both biomedical and agricultural applications.     

基于CRISPR-Cas系统的基因组定点修饰新技术

CRISPR(clustered regulatory interspersed short palindromic repeat)序列源于原核生物的一种获得性免疫系统,协同Cas(CRISPR-associated)蛋白家族参与抵抗噬菌体或其它病毒的二次感染,广泛存在于细菌(60%)和古菌(90%)中.病菌和宿主的共同进化导致了CRISPR-Cas系统具有多样性,可分为3大类(Ⅰ-Ⅲ),又分为10亚类.在Ⅱ型CRISPR-Cas系统基础上建立了RNA介导的CRISPR-Cas系统来修饰(删除、添加、激活、抑制)靶细胞中特定的基因序列,现已在人类细胞、小鼠、斑马鱼、酵母、细菌、果蝇、线虫、拟南芥中得以应用.本文主要介绍了Ⅱ型CRISPR-Cas系统的结构特点、作用机理及作为新型基因组定点修饰技术的研究进展,分析该技术优势,并展望CRISPRCas系统的应用前景.     

The CRISPR/Cas9 revolution continues: From base editing to prime editing in plant science

The ability to precisely inactivate or modify genes in model organisms helps us understand the mysteries of life. Clustered regularly interspaced short palindromic repeats(CRISPR)/CRISPR-associated protein 9(Cas9), a revolutionary technology that could generate targeted mutants, has facilitated notable advances in plant science. Genome editing with CRISPR/Cas9 has gained great popularity and enabled several technical breakthroughs. Herein, we briefly introduce the CRISPR/Cas9, with a focus on the latest breakthroughs in precise genome editing(e.g., base editing and prime editing), and we summarize various platforms that developed to increase the editing efficiency, expand the targeting scope, and improve the specificity of base editing in plants. In addition, we emphasize the recent applications of these technologies to plants. Finally, we predict that CRISPR/Cas9 and CRISPR/Cas9-based genome editing will continue to revolutionize plant science and provide technical support for sustainable agricultural development.     

Patterns of CRISPR/Cas9 activity in plants,animals and microbes

The CRISPR/Cas9 system and related RNA‐guided endonucleases can introduce double‐strand breaks (DSBs) at specific sites in the genome, allowing the generation of targeted mutations in one or more genes as well as more complex genomic rearrangements. Modifications of the canonical CRISPR/Cas9 system from Streptococcus pyogenes and the introduction of related systems from other bacteria have increased the diversity of genomic sites that can be targeted, providing greater control over the resolution of DSBs, the targeting efficiency (frequency of on‐target mutations), the targeting accuracy (likelihood of off‐target mutations) and the type of mutations that are induced. Although much is now known about the principles of CRISPR/Cas9 genome editing, the likelihood of different outcomes is species‐dependent and there have been few comparative studies looking at the basis of such diversity. Here we critically analyse the activity of CRISPR/Cas9 and related systems in different plant species and compare the outcomes in animals and microbes to draw broad conclusions about the design principles required for effective genome editing in different organisms. These principles will be important for the commercial development of crops, farm animals, animal disease models and novel microbial strains using CRISPR/Cas9 and other genome‐editing tools.     

CRISPR/Cas9系统在基因组DNA片段编辑中的应用

源于细菌和古菌的Ⅱ型成簇规律间隔短回文重复系统[Clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPR)/CRISPR-associated nuclease 9 (Cas9),CRISPR/Cas9]近年被改造成为基因组定点编辑的新技术。由于它具有设计简单、操作方便、费用低廉等巨大优势,给遗传操作领域带来了一场革命性的改变。本文重点介绍了CRISPR/Cas9系统在基因组DNA片段靶向编辑方面的研究和应用,主要包括DNA片段的删除、反转、重复、插入和易位,这一有效的DNA片段编辑方法为研究基因功能、调控元件、组织发育和疾病发生发展提供了有力手段。本文最后展望了Ⅱ型CRISPR/Cas9系统的应用前景和其他类型CRISPR系统的应用潜力,为开展利用基因组DNA片段靶向编辑进行基因调控和功能研究提供参考。