《德国海洋科学家证实克隆并非完全相同》

  • 来源专题:中国科学院文献情报系统—海洋科技情报网
  • 编译者: liguiju
  • 发布时间:2020-05-25
  • 德国基尔亥姆霍兹海洋研究中心(GEOMAR)的海洋生态学教授Thorsten Reusch在从事博士后研究期间,对20世纪90年代末波罗的海的海草草甸进行基因检测时,发现在芬兰的奥兰群岛附近海域的生物也由相同基因型组成。这并不是一个种群,而是一个个克隆个体。
    由于克隆被认为是由基因完全相同的复制体组成,它们的存在本身就很难与作为生存和恢复力先决条件的遗传多样性相协调。然而越来越明显的是,自第一次发现以来,自然界中广泛存在大型克隆体,这种极端的克隆特性也适用于基底动物,例如造礁珊瑚。克隆动物是珊瑚礁或海草草甸等最稳定、最多产的生态系统的基础,原因是什么呢?现在,这个生态之谜已经被Reusch教授领导的国际研究小组解决了,相关研究结果已发表在5月11日的《自然-生态与进化》(Nature Ecology & Evolution)国际期刊上。
    研究小组使用了一个大型的波罗的海海草克隆,该克隆此前已被DNA指纹识别。该团队利用位于基尔的临床分子生物学研究所现代高通量DNA测序的巨大测序能力,追踪由体细胞突变产生的遗传变异,以控制整个克隆成员的基因型。新研究表明,体细胞突变最终可能成为基因上不同的模块,因为新分支只由少数细胞发起。Reusch教授解释说:“这为包括珊瑚、许多藻类和海草在内的一大群物种构成了一种新的进化途径,而这些物种此前被认为是进化的死胡同。”克隆后代形成过程中的这一瓶颈是将体细胞遗传变异划分为不同的模块,这是它们能够自然选择的关键。“这一过程可能为这些物种为什么在面对强大的环境压力时仍能坚持下来提供了一种解释。”反过来,这可能部分解决了为什么存在基因同质克隆这一谜题—确切地说,因为它们可能根本就不是基因同质。
    (冯若燕 编译)

  • 原文来源:https://www.geomar.de/en/news/article/klone-alles-andere-als-identisch/
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    • 来源专题:转基因生物新品种培育
    • 编译者:姜丽华
    • 发布时间:2022-12-07
    •   11月17日,中国科学院分子植物科学卓越创新中心巫永睿研究团队与上海师范大学王文琴研究团队合作,在《自然》(Nature)上,发表了题为THP9 enhances seed protein content and nitrogen-use efficiency in maize的研究论文。科研人员经过坚持不懈的努力,在野生玉米中克隆了控制玉米高蛋白品质形成和氮素高效利用的关键变异基因Teosinte High Protein 9 (THP9)。   玉米的祖先起源于南美洲墨西哥南部的巴尔萨斯河流域,名为“大刍草”。它像杂草一样生长,种子外面包裹着坚硬的壳,无法直接食用。人类祖先早在9000年以前开始驯化玉米,逐步把杂草一样的野生玉米大刍草改造成了今天的玉米。如今,玉米已成为世界上最高产的农作物之一。玉米产量高,有效能量多,是最常用且用量最大的饲料之一,故有“饲料之王”的美称。随着人们生活质量提高,肉蛋奶需求增加,玉米的消费量日益增加,致使近年来玉米进口量不断提升。提高玉米蛋白含量是保障国家粮食安全的重大战略需求,也是保障我国畜禽养殖业和饲料加工业健康发展的重要途径之一。然而,野生玉米高蛋白形成的机理是长期以来悬而未决的难题,同时,控制玉米总蛋白含量和氮素高效利用的关键基因尚未找到。   科研团队于2012年进行玉米高蛋白供体材料的寻找、蛋白含量测定、遗传分析以及群体构建。实验发现,普通玉米自交系蛋白含量约为10%,而玉米祖先野生玉米在未施加氮肥条件下种子蛋白含量达30%,其含量是现代普通栽培玉米的3倍,表明野生玉米含有控制高蛋白含量的关键基因。这些基因是什么,它们在野生和现代玉米中到底发生了什么改变?它们能否被挖掘用于提高现代玉米的蛋白含量?不同玉米自交系遗传变异大于人类与黑猩猩之间的差异,而9000年前的野生玉米与现代玉米的差异就更大了。   为了充分利用野生玉米的基因资源,挖掘控制野生玉米高蛋白的优良变异基因,研究团队破解了高度复杂的野生玉米基因组。研究采用三代测序技术和三维基因组相结合的策略,摸索并拼装出既杂合又复杂的野生玉米单倍体基因组(Zea mays ssp. parviglumis, accession number Ames21814),用于野生玉米高蛋白基因的定位和克隆。科研人员经过艰苦攻关,连续创制了超过10代的遗传材料,构建出野生玉米和普通玉米自交系B73的高世代近等基因系群体。在这一过程中,研究提取了超过4万个样本的DNA进行基因型鉴定,测定了超过2万个样本的蛋白含量进行表型分析,并分别在回交群体的第4代BC4(n=500)、第6代BC6(n=1314)以及第8代BC8(n=1344)进行了3次大规模高蛋白遗传群体的测序以及精细的图位克隆,最终在野生玉米中克隆到首个控制玉米高蛋白含量的主效基因THP9。该基因编码天冬酰胺合成酶4 (ASN4),ASN是氮代谢的中心,负责合成天冬酰胺。天冬酰胺在氮循环中具有核心作用,并在氨基基团的分子间转移反应中充当氮供体。因此,植物中的天冬酰胺水平与种子蛋白质含量密切相关。研究发现,野生玉米优良基因Thp9-T显著高表达,而B73和一些玉米自交系中含有Thp9的突变形式Thp9-B,导致ASN4的表达量较低。野生玉米优良基因Thp9-T导入玉米自交系B73后,使种子蛋白质含量增加约35%,根中氮含量增加约54%,茎中氮含量增加约94%,叶片中氮含量增加约18%,且生物量即植株整体重量增加。   此外,研究团队在三亚南繁基地开展了大规模田间试验,将野生玉米高蛋白基因Thp9-T杂交导入我国推广面积最大的玉米生产栽培品种郑单958中,可显著提高杂交种籽粒蛋白含量,表明该基因在培育高蛋白玉米中具有重要的应用潜能;同时,在减少氮肥施用条件下,可有效保持玉米的生物量以及植株和籽粒中氮含量水平,这对于在低氮条件下促进玉米高产、稳产具有重要意义。   本研究在野生玉米中发现一个控制高蛋白玉米形成的关键优异变异基因Thp9-T,其可以提高玉米中氮的同化效率从而有利于产生更多的蛋白质。研究表明,将Thp9-T导入现代玉米品种,提高了氨基酸水平,尤其是天冬酰胺,且在不影响粒重的情况下增加了种子蛋白质含量。同时,在大田试验中,本研究也验证了Thp9-T在高蛋白育种改良过程中具有重要作用,显著提高玉米栽培品种郑单958的籽粒蛋白含量,并在低氮条件下能有效保持玉米的生物量以及植株和籽粒氮含量水平,这为今后该基因的进一步推广应用奠定了坚实基础。   由于化肥的过度使用,野生玉米优良基因Thp9-T在长期的育种过程中未受到选择压力。本研究不仅克隆了野生玉米变异基因Thp9-T,利于现代栽培玉米提高籽粒蛋白含量的遗传改良,而且对未来减少化肥施用和保护生态环境具有重要指导意义。   研究工作得到中国科学院战略性先导科技专项(B类)、国家自然科学基金、中国博士后科学基金、上海“超级博士后”激励计划的支持。齐鲁师范学院、山东农业大学、深圳农业基因组研究所、美国亚利桑那大学科研人员参与研究。
  • 《《科学》子刊:科学家首次证实,新冠病毒S蛋白竟是溶酶体蛋白!》

    • 来源专题:生物安全知识资源中心—领域情报网
    • 编译者:hujm
    • 发布时间:2022-12-26
    • 新冠疫情爆发至今已经三年,虽然奥密克戎致病性有所减弱,但新冠病毒仍在快速变异,而变异主要集中在S蛋白。因此,破解S蛋白核心变异对新冠病毒进出细胞的影响,对新冠病毒溯源、抗体疗法、疫苗设计尤其重要。 近日,由约翰·霍普金斯大学医学院Stephen Gould教授领衔的研究团队,在著名期刊Science Advances发表重要研究成果【1】。该论文的第一作者是郭晨栩,通讯作者是Stephen Gould,其他研究人员包括蔡尚睿、Yiwei Ai、Maggie Li、Eduardo Anaya、Andrew Pekosz和Andrea Cox。 通过研究新冠病毒S蛋白在细胞内的转运,Gould团队发现S蛋白是一种溶酶体蛋白,2020年初出现并迅速占据主导地位、成为所有毒株共有的D614G突变并不是对人类宿主的适应。相反,D614G的出现纠正了由早期弗林蛋白酶切割位点插入(FCSI)突变所引起的一系列S蛋白功能缺陷,包括S蛋白向溶酶体的运输。 Gould团队2020年底曾在预印平台biorxiv上刊登过相关研究结果【2】,是世界首篇提供明确证据表明S蛋白能够重塑溶酶体结构和功能的论文,进一步支持以溶酶体为核心的β冠状病毒进出细胞的机理模型,并揭示了D614G突变作为基因内抑制因子,在新冠病毒进化、免疫、预防、治疗等方面的重要意义。 S蛋白是抗击新冠病毒最关键的蛋白质,因为它识别并介导受体结合,促进病毒进入细胞,依然是绝大多数疫苗的唯一抗原和抗体疗法的首要目标,而且它还一直在快速变异。 不同于其他SARS相关冠状病毒,新冠病毒在其起源之时或之前获得了FCSI突变,使S蛋白能被弗林蛋白酶介导的加工预先激活,以便其他丝氨酸蛋白酶如TMPRSS2进行切割,为新冠病毒提供了一种新的、不依赖于胞内体/溶酶体的入侵机制去感染细胞,从而使新冠病毒能够通过呼吸系统快速、有效地传播。 尽管FCSI增加了新冠病毒可以采用的感染机制、可以识别的受体范围、可以感染的细胞类型以及可以传播的途径和效率,但也引起了S蛋白结构的显著变化。由于改变结构的变异几乎总会伴随一些不利的副作用,FCSI会带来有害的特性也就不足为奇了。具体而言,FCSI导致内体/溶酶体感染途径出现重大缺陷,新冠病毒在缺乏TMPRSS2表达的VeroE6等细胞系中复制不良,在连续传代后,迅速出现FCSI逆转突变体【3-7】。 疫情开始不久,新冠病毒便获得了另一个有利的变异(D614G突变)。这是新冠病毒在人群中传播后出现的第一个变异,也是后来所有毒株共同拥有的变异。它显著增强了新冠病毒的感染力、传播性和病毒载量,奇点网此前也曾多次报道。 一般来说,病毒会朝着减少其细胞表面表达的方向进化,这可能是因为适应性免疫反应定向选择了能够更好地逃避免疫监视的突变病毒。为了检测D614G是否能够减少S蛋白在细胞膜上的表达,研究人员把新冠病毒原始毒株(WT)和D614G突变株的S蛋白克隆出来,分别整合到一个由四环素操纵子调控的基因表达体系中,并通过两个不同的对照实验(生物素细胞表面标记结合亲和素亲和层析分离,以及细胞表面荧光标记流式细胞术)发现,D614G使细胞膜S蛋白的表达量降低至原来的三成水平,而这两种S蛋白的总表达量相似。 众所周知,蛋白质在细胞内的转运是一场零和博弈。鉴于S/WT和S/D614G的总表达水平相似,既然D614G使其在细胞膜的表达量减少了70%,那么它一定是被运输到了细胞内部。 研究人员通过分析早期新冠患者的血浆,利用不同患者产生的抗体,追踪S蛋白在细胞内的转运。果然,他们在表达S/WT的细胞中发现了强烈的细胞表面信号,而在表达S/D614G的细胞中找到了更多的细胞内部定位。有趣的是,S/WT显示出大量与高尔基体标记物GM130荧光共定位,而S/D614G则高度集中在多个大型非高尔基体细胞器中。 此前曾有多则报道,β冠状病毒能将宿主细胞的溶酶体转化为病毒储存和释放的容器,所以新合成的β冠状病毒颗粒不是通过经典分泌途径释放的,而是被运输到溶酶体并在那里不断积累,直到被溶酶体胞吐作用大量释放。 为了确定S/D614G高度集中的细胞器是否就是溶酶体,研究人员做了一系列实验,包括免疫荧光显微、免疫金电子显微技术等,证实了(1)S蛋白是一种溶酶体蛋白并能引起溶酶体聚集,(2)D614G将S蛋白从细胞膜重定向到溶酶体限制膜上,(3)与S/WT相比,D614G导致更多的S蛋白(约1.5倍)转运到溶酶体上。 研究人员接下来测试了D614G在新冠病毒感染的情况下,是否也会影响S蛋白在细胞内的转运。他们分别用原始毒株和D614G突变株感染Vero E6/TMPRSS2细胞,用免疫荧光显微镜和流式细胞术等方法分析,得到了相似的结果。 至于新冠病毒为什么会发生D614G突变,研究人员认为,该突变出现的时间和重复、独立的起源表明,它的产生正是为了适应新冠病毒进化历程中相对较新的事件,而在新冠病毒的近期历史/史前历史中只发生了两起重大事件:由动物传染到人类,以及新冠病毒特有的FCSI变异。由此推理,D614G出现的原因有两种可能,一种是对其新宿主人类的进化适应,另一种是为了修正先前FCSI所带来的不利影响而产生的进化适应。 研究人员首先在进化史上距离人类较远的哺乳动物负鼠的细胞中表达了S/WT和S/D614G两种蛋白,并测量了S蛋白的总表达量和在细胞表面的表达水平,得出了与之前一致的结论,从而排除了“D614G是人类特有的进化适应”这一可能性。 接下来,Gould团队根据几组不同的实验发现,抑制弗林蛋白酶或破坏FCSI,确实恢复了S蛋白向溶酶体运输的能力,而弗林蛋白酶介导的S蛋白切割,导致S蛋白转运至溶酶体的功能出现明显缺陷,并使细胞表面S蛋白的表达量增加约3倍。研究人员认为,D614G通过还原S蛋白向溶酶体运输的能力,抑制了S蛋白转运中与FCSI相关的有害特性。 在后续的实验里,研究人员利用遗传学方法发现,S蛋白向溶酶体的转运是由其细胞外结构域调节的。此外,Gould团队基于多个对照试验,提供了首个明确证据表明,仅仅依靠S蛋白的表达就足以驱动溶酶体聚集、KDEL受体在溶酶体积累、ER驻留蛋白的异常分泌,甚至可能阻断内吞物质的溶酶体摄取。 总的来说,从细胞生物学的角度,Gould团队首次证实新冠病毒S蛋白是一种溶酶体蛋白,在β冠状病毒感染的细胞中,除了受体结合、膜融合以外,还能改变溶酶体的结构并重塑溶酶体的功能。 从新冠病毒进化的角度,Gould团队的研究成果表明,最早出现的两个突变,FCSI和D614G,在功能上是密切相关的。D614G突变的出现是为了修复FCSI引起的不良副作用而发生的进化适应,同时依然允许弗林蛋白酶切割S蛋白并支持新冠病毒在呼吸系统传播。 Gould团队强调,新冠研究应该拓宽考虑S蛋白突变的遗传和功能背景,虽然所有S蛋白突变都可能代表对其环境的适应,但也有可能是对先前突变的适应。除了研究S蛋白突变对其受体结合、膜融合催化能力的作用,还应该关注这些突变对S蛋白在宿主细胞内的转运及其对S蛋白介导的溶酶体重编程的影响。 参考文献 1.https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ade5085 2.https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2020.12.08.417022v1 3.https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/32571797/ 4.https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/32568027/ 5.https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/33476327/ 6.https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/33835028/ 7.https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/34159616/