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Cell | 另辟蹊徑破解小麥條銹病的基因密碼

小麥條銹病是由條形柄銹菌小麥?；?f. sp.,)引起的真菌病害，在全世界范圍內危害小麥()生產(chǎn)。培育和種植持久抗性小麥品種是控制小麥條銹病最有效的方法。由于病原體突變導致免疫受體逃避檢測，因此抗病基因經(jīng)常失效。而易感基因(基因)突變介導的抗性常具持久性與廣譜性。近日，西北農(nóng)林科技大學康振生院士和王曉杰教授率領植物免疫研究團隊在揭示小麥受基因保護的分子機制方面取得突破性進展，為抗病育種提供了有力工具。他們發(fā)現(xiàn)小麥感染條銹菌后，真菌誘導受體樣細胞質激酶TaPsIPK1與效應子PsSpg1特異性互作，通過增強激酶活性和TaPsIPK1進入細胞核促進寄生。TaPsIPK1磷酸化轉錄因子TaCBF1d。TaCBF1d的磷酸化改變了其下游基因的轉錄活性。因此，TaPsIPK1 和PsSpg1增強TaCBF1d磷酸化可能會重新編程靶基因表達，干擾植物防御反應，從而促進病原體感染(2022年7月14日在線發(fā)表，doi: 10.1016/j.cell.2022. 06.027)。在2年的田間試驗中，小麥中的CRISPR-Cas9失活賦予了對的廣譜抗性，且不影響重要的農(nóng)藝性狀。該研究首次揭示了由PsSpg1-TaPsIPK1-TaCBF1d在小麥條銹病易感基因中觸發(fā)的新的磷酸化轉錄調控機制，為通過作物遺傳修飾培育持久抗性品種提供了新策略?！鐾扑]人：孔令讓

Science | 利用“合成調控重建”機制揭示哺乳動物Hox基因簇調節(jié)機制

在動物組織和器官的發(fā)育過程中，基因簇一直扮演著重要角色，精確的基因表達對胚胎構型至關重要。若基因突變或調控發(fā)生變化而失活，細胞便會隨之丟失。美國紐約大學生物學副教授Esteban Mazzoni曾說：“若不了解基因，我們就無法很好理解發(fā)育或疾病機理?！笔芎铣缮飳W和生化重建方法的啟發(fā)，來自美國紐約大學的Sudarshan Pinglay等研究人員通力合作，利用合成調控重構機制揭示了哺乳動物基因簇調節(jié)機制(2022年7月1日發(fā)表，doi: 10.1126/science.abk2820)。該研究團隊建立了“合成調控重建”(synthetic re-gulatory reconstitution)機制，人工合成大鼠的基因簇變體，并將其送至小鼠胚胎干細胞內的一個精確位置。研究發(fā)現(xiàn)，在人工合成的基因簇中，視黃酸響應元件(RARE)的突變使得該變異基因簇對視黃酸(RA)的響應完全消失，得知對視黃酸的響應是RA通過與內轉錄因子的結合實現(xiàn)的。此外，研究人員在上述含RARE突變的基因簇變體中加入遠端增強子，發(fā)現(xiàn)其在轉錄早期雖增加了特異基因的轉錄活性，但不能完全填補正常表型的缺失，說明遠端增強子與基因簇內激活子結合只會提高轉錄量，對于特異活化基因是非必要的。該項研究使人們能探索基因簇變體在不同調控層面的不同能力，展示了“合成調控重建”的力量，為對其他基因組進行類似分析打開了大門，為未來研究人類復雜疾病及動物胚胎發(fā)育等鋪平了道路。 ■推薦人：何昊、呂雪梅

Nature Cell Biology | 解旋酶ZNFX-1通過形成核周凝聚體將RNAi沉默效應延伸至后代

RNA介導的干擾(RNAi)是一種通過利用小RNA(sRNAs)來調節(jié)基因表達的保守機制。RNAi的核心機制是RNA誘導沉默復合體(RISC)，其由單鏈RNA組成，長度約為20個堿基，與Argonaute蛋白結合后發(fā)揮作用。RISC識別互補RNA，并通過降低RNA穩(wěn)定性或減低翻譯效率來實現(xiàn)基因沉默。某些RISC會識別新生轉錄物，通過阻斷RNA聚合酶等方式干擾新生轉錄的進行。在秀麗隱桿線蟲()中，sRNAs靶向的轉錄物被用作sRNAs擴增的模板，以將沉默反應延伸到下一代。同時，在線蟲的核周凝聚體Nuage中的調控因子Argonaute、WAGO-4、ZNFX-1可能也與RNAi遺傳有關，但這些因子是否參與sRNAs的擴增并不清楚。美國約翰霍普金斯大學醫(yī)學院Geraldine Seydoux?研究團隊近期揭示了RNAi導致與兩個平行的sRNAs擴增通路相關的新生和成熟轉錄物分布的可遺傳變化(2022年6月24日發(fā)表，doi: 10.1038/ s41556-022-00940-w)。在這項研究中，研究人員檢測了(通過喂食)暴露于基因特異性dsRNA觸發(fā)器的動物中mRNAs的命運。HRDE-1又被稱為WAGO-9，是特異性表達在生殖細胞系中Argonaute。研究結果表明，HRDE-1雖然足以部分沉默核內位點，但不足以實現(xiàn)沉默狀態(tài)的穩(wěn)定遺傳。同時還需要涉及ZNFX-1的第二個通路。ZNFX-1是一個含有SF1解旋酶結構域的鋅指蛋白，定位于核周凝聚體Nuage中。研究人員發(fā)現(xiàn)ZNFX-1負責靶向mRNA定位到核周凝聚體，與具有poly(UG)尾的sRNAs靶向轉錄物相互作用，可以在子代中維持pUGylation和穩(wěn)定的sRNAs擴增。第一個通路依賴于核Argonaute HRDE-1，以新生轉錄物為靶點，減少但不消除位點上的高效轉錄。第二個通路依賴于保守的解旋酶ZNFX-1，靶向成熟轉錄物并將其濃縮在核周凝聚體Nuage中，防止RNAi沉默反應過早消失，并將沉默反應延伸到下一代?！鐾扑]人：史岸冰

Nature Biotechnology | 單細胞多組學數(shù)據(jù)整合與調控推斷方法GLUE

單細胞測序技術目前已實現(xiàn)多種不同組學種類的單細胞檢測，整合分析不同組學的單細胞數(shù)據(jù)有助于更全面地刻畫細胞內的基因調控狀態(tài)、揭示調控機制。然而，與傳統(tǒng)的bulk數(shù)據(jù)相比，單細胞多組學數(shù)據(jù)具有規(guī)模大、噪聲高的特點，且多組學觀測通常來自非配對的細胞，為整合分析帶來了重大計算挑戰(zhàn)。近日，北京大學/昌平實驗室高歌團隊發(fā)布了基于圖耦聯(lián)策略的深度學習方法GLUE (2022年5月2日在線發(fā)表，doi: 10.1038/s41587-022- 01284-4)，可利用組學特征間的先驗調控關系幫助建立“語義一致”的多組學隱空間，從而克服不同組學特征空間的差異將非配對單細胞數(shù)據(jù)整合在一起，并綜合先驗調控信息與單細胞多組學數(shù)據(jù)的統(tǒng)計相關性實現(xiàn)可靠的轉錄調控推斷。系統(tǒng)的評測實驗顯示GLUE具有很高的整合準確性，并且對不準確的先驗信息表現(xiàn)出很好的魯棒性。GLUE可擴展性強，可以有效處理百萬級單細胞組學數(shù)據(jù)，目前代碼已完全開源(https://github.com/gao-lab/GLUE)?！鐾扑]人：崔慶華

Science | 揭示玉米和水稻趨同選擇的奧秘

玉米、水稻和小麥作為迄今馴化最為成功的三大農(nóng)作物，為全球人類提供了50%以上的能量攝入。這些作物馴化在長期的改良和選擇過程中發(fā)生了什么，是否遵循了共同的遺傳規(guī)律是一個重大的基礎科學問題。中國農(nóng)業(yè)大學楊小紅、李建生實驗室和華中農(nóng)業(yè)大學嚴建兵實驗室合作鑒定了一個調控玉米穗行數(shù)的基因以及其在水稻中的同源基因，編碼一種WD40蛋白，與功能未知蛋白DUF1644互作調控玉米穗行數(shù)與水稻穗粒數(shù)(2022年3月25日在線發(fā)表，doi: 10.1126/ science.abg7985)。該研究從全基因組水平共檢測到玉米和水稻中490對經(jīng)歷趨同選擇的同源基因對，其在淀粉及蔗糖代謝和輔因子生物合成等途徑中顯著富集。進一步研究顯示，的功能缺失能夠在不影響其他農(nóng)藝性狀情況下，顯著提升籽粒產(chǎn)量。這表明淀粉不僅是谷物類植物在種子中存儲能量的主要成分，也是水稻和玉米能夠被馴化成主要糧食作物的重要原因，不僅有助于深入認識和理解農(nóng)作物的進化和改良過程，而且對加速作物的育種進程和為從頭馴化創(chuàng)制新型作物提供有價值的信息?！鐾扑]人：張克春，宋任濤

Cell | 肢體發(fā)育相關基因在指紋花紋形成中發(fā)揮關鍵作用

指紋是存在于指尖皮膚上的凹凸紋路，因其恒定性及高遺傳性，已成為目前研究最廣泛的膚紋類型。指紋花紋如何形成？何種基因在其中發(fā)揮了主導作用？人類對指紋花紋這類表型形成的生物學機制仍知之甚少。中國科學院營養(yǎng)與健康研究所汪思佳和復旦大學金力院士等研究團隊精確量化了2萬余人的指紋花紋，鑒定出43個與人類指紋花紋相關的遺傳基因座，并發(fā)現(xiàn)這些基因顯著富集在肢體發(fā)育與形成，而非皮膚發(fā)育的相關通路。其中，3q26.2區(qū)域臨近基因突變也會改變小鼠的相應皮紋特征。此外，研究還發(fā)現(xiàn)指紋花紋與手指長度比例廣泛相關，并具有共同遺傳基礎(2022年1月6日在線發(fā)表，doi: 10.1016/j.cell.2021.12.008，復旦大學遺傳工程國家重點實驗室李金喜博士為論文第一作者)。本研究為認識指紋花紋發(fā)育的生物學基礎作出了開拓性的工作，為膚紋與人體其他表型與疾病的關聯(lián)研究提供了重要理論基礎，為人類表型組研究提供了經(jīng)典案例，充分展現(xiàn)了人類表型組學對生命科學未來發(fā)展的重大意義?！鐾扑]人：盧大儒