編委推薦

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Nature | 10+小麥基因組揭示全球小麥當(dāng)代育種材料豐富的變異

基因組技術(shù)的發(fā)展加快了水稻(L.)、玉米(L.)等多種重要農(nóng)作物的改良進(jìn)程，與其相比，普通小麥(L.)卻面臨著諸多挑戰(zhàn)。普通小麥作為多倍體，基因組龐大且復(fù)雜，序列組裝拼接困難，缺乏多小麥品系的基因組組裝數(shù)據(jù)為小麥改良提供參考。小麥10+基因組團(tuán)隊(duì)基于飛速發(fā)展的基因組測序及組裝技術(shù)，由加拿大薩斯喀徹溫大學(xué)、瑞士蘇黎世大學(xué)Thomas Wicker、德國環(huán)境健康研究中心Manuel Spannagl和加拿大農(nóng)業(yè)和農(nóng)業(yè)食品部Curt A. McCartney等合作完成了15個(gè)六倍體小麥的基因組拼裝，其中10個(gè)達(dá)到染色體水平參考基因組的質(zhì)量，另外5個(gè)為scaffold水平的基因組，并探討了全球育種計(jì)劃中小麥品系的基因組多樣性(2020年11月25日在線發(fā)表，doi: 10.1038/s41586-020-2961-x)。通過比較分析組裝的10+六倍體小麥基因組序列，該研究分析了一些農(nóng)藝性狀相關(guān)基因家族在各個(gè)基因組中的分布，注釋了大量的NLR抗病基因；揭示了這些小麥品系中廣泛的結(jié)構(gòu)重排、野生近緣物種基因片段的導(dǎo)入以及復(fù)雜的育種歷史導(dǎo)致的基因含量差異；開發(fā)了單倍型可視化工具，快速鎖定了一個(gè)抗小麥橙色花蠓蟲(Géhin)的基因，該工具為農(nóng)藝性狀基因的篩選定位提供了極大的便利。10+小麥基因組這項(xiàng)工程將為小麥功能基因的發(fā)現(xiàn)和育種提供基礎(chǔ)，從而促進(jìn)未來小麥新品種的培育。■推薦人：孔令讓

Developmental Cell | 時(shí)空各異的轉(zhuǎn)錄因子可組合發(fā)揮功能

盡管單個(gè)轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)和功能并非高度特異，但是通過多個(gè)轉(zhuǎn)錄因子的組合可以發(fā)揮細(xì)胞特異性功能。作為基因表達(dá)和命運(yùn)決定的基本策略，該模式通常假定多個(gè)轉(zhuǎn)錄因子在同一細(xì)胞表達(dá)。以線蟲()左–右不對(duì)稱神經(jīng)元ASEL-ASER命運(yùn)決定過程為模型，奧地利分子病理研究所Luisa Cochella團(tuán)隊(duì)對(duì)該模型進(jìn)行了拓展：一個(gè)早期轉(zhuǎn)錄因子的效應(yīng)可通過有絲分裂隨細(xì)胞譜系傳遞，并與另一晚期轉(zhuǎn)錄因子的功能發(fā)生組合，實(shí)現(xiàn)特異性基因調(diào)控(2020年11月23日發(fā)表，doi: 10.1016/j.devcel.2020.09.002)。在胚胎發(fā)育早期，轉(zhuǎn)錄因子TBX-37/38在ABa譜系的祖細(xì)胞瞬時(shí)表達(dá)并預(yù)活化microRNA基因，該預(yù)活化狀態(tài)可隨ABa細(xì)胞譜系傳遞多代，后期，轉(zhuǎn)錄因子CHE-1“登場”并繼承TBX-37/38的“未盡事業(yè)”，特異性地在ABa譜系后代細(xì)胞ASEL中激活基因表達(dá)和細(xì)胞命運(yùn)決定。“君生我未生”，盡管TBX-37/38和CHE-1從未碰面，但它們的功能卻可以經(jīng)過細(xì)胞譜系跨越時(shí)空疊加。該研究提示，在發(fā)育調(diào)控過程中，也許我們不應(yīng)該忽略細(xì)胞在其發(fā)育歷史中所經(jīng)歷的一切。■推薦人：杜茁

Nature Microbiology | 在結(jié)核分支桿菌中開發(fā)基于轉(zhuǎn)錄因子誘導(dǎo)表型的藥物適應(yīng)性體系

為破譯結(jié)核分枝桿菌()分子應(yīng)激機(jī)制，鑒定特殊環(huán)境下其適應(yīng)性，從而發(fā)現(xiàn)藥物靶標(biāo)及增強(qiáng)治療的新策略，美國華盛頓大學(xué)David R. Sherman實(shí)驗(yàn)室采用一種新型基于網(wǎng)絡(luò)遺傳篩選法——轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子誘導(dǎo)表型(transcriptional regulator-induced phenotype, TRIP)篩選法，與之前轉(zhuǎn)座子介導(dǎo)基因突變池篩選法有很大不同，其可量化與誘導(dǎo)每一個(gè)轉(zhuǎn)錄因子相關(guān)演化的過程(2020年11月16日在線發(fā)表，doi:10.1038/s41564-020-00810-x)。他們用TRIP法鑒定對(duì)一線抗結(jié)核藥物異煙肼(isoniazid, INH)的網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性，發(fā)現(xiàn)一種特殊調(diào)節(jié)器，當(dāng)其被誘導(dǎo)時(shí)可增強(qiáng)INH的活性；并發(fā)現(xiàn)受抑制調(diào)節(jié)的(Rv1469)可能是INH的一個(gè)效應(yīng)因子，當(dāng)突變時(shí)，可增強(qiáng)s對(duì)INH的敏感性。TRIP篩選方法對(duì)網(wǎng)絡(luò)信息集成化分析，有助于深入了解在特殊生長條件下應(yīng)急機(jī)制中更復(fù)雜的分子反應(yīng)程序，而這一新方法亦可運(yùn)用于其他生物體中的相關(guān)研究?！鐾扑]人：梁海華

Science Advances | 單細(xì)胞匹配的人工智能生物學(xué)新算法

不依賴標(biāo)記基因注釋的細(xì)胞類型匹配算法，能夠根據(jù)單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)識(shí)別單個(gè)細(xì)胞類型，對(duì)于探索復(fù)雜組織和器官的異質(zhì)性具有重要意義，是單細(xì)胞數(shù)據(jù)分析中的重大挑戰(zhàn)。已有算法準(zhǔn)確性不高、穩(wěn)定性不足、難以發(fā)現(xiàn)新的細(xì)胞類型。同濟(jì)大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院劉琦教授團(tuán)隊(duì)利用前沿人工智能生物學(xué)技術(shù)，設(shè)計(jì)了基于度量學(xué)習(xí)(metric learning)的單細(xì)胞匹配算法scLearn，從海量數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)定量的測度和參數(shù)，從而準(zhǔn)確識(shí)別單細(xì)胞的類型(2020年10月30日在線發(fā)表，doi:10.1126/sciadv.abd0855)。通過比較，scLearn的準(zhǔn)確性優(yōu)于同類算法，模型穩(wěn)定性大為提高，且能夠精準(zhǔn)預(yù)測新的細(xì)胞類型。該研究為后續(xù)單細(xì)胞數(shù)據(jù)分析提供了全新的計(jì)算工具?！鐾扑]人：薛宇

Nature | 發(fā)現(xiàn)TERRA lncRNA被招募到端粒的新機(jī)制

端粒介導(dǎo)基因組穩(wěn)定并與細(xì)胞壽命密切相關(guān)。TERRA (telomeric-repeat-containing RNA)是染色體末端轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生的長鏈非編碼RNA (long noncoding RNA, lncRNA)，是端粒酶的RNA組分。然而TERRA RNA被招募到染色體末端的機(jī)制尚不清楚。瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院Lingner實(shí)驗(yàn)室利用PP7-GFP報(bào)告系統(tǒng)，在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)重復(fù)序列UUAGGG對(duì)TERRA靶向定位到染色體末端至關(guān)重要(2020年10月14日在線發(fā)表，doi: 10.1038/s41586-020-2815-6)。作者隨后利用siRNA文庫篩選與TERRA及端粒相關(guān)的蛋白質(zhì)編碼基因，發(fā)現(xiàn)敲低RNaseH1可以顯著增加TERRA在端粒的招募，暗示TERRA在端粒上反式形成R-loop。進(jìn)一步研究確定這一現(xiàn)象依賴于DNA同源重組修復(fù)蛋白R(shí)AD51，其通過促進(jìn)R-loop的產(chǎn)生而招募TERRA。TERRA可能作為一個(gè)支架引導(dǎo)調(diào)節(jié)端粒R-loop的生成，而端粒R-loop的生成對(duì)于端粒穩(wěn)態(tài)十分重要。該研究對(duì)于其他lncRNA的細(xì)胞核內(nèi)定位機(jī)制也具有重要借鑒意義?！鐾扑]人：單革

Science | 新型冠狀病毒重癥感染相關(guān)遺傳因素的新證據(jù)

2019年底以來，新型冠狀病毒(severe acute respiratory syndrome coronavirus 2, SARS-CoV-2)感染所致的新冠肺炎在全球流行，嚴(yán)重威脅人類的生命健康。然而，個(gè)體感染SARS-CoV-2后，會(huì)發(fā)生顯著不同的病程轉(zhuǎn)歸，可表現(xiàn)為單純性感染、輕型肺炎、普通型肺炎、重型肺炎和危重型肺炎。先前發(fā)表于《新英格蘭醫(yī)學(xué)雜志》的研究表明，個(gè)體的重癥感染可能與遺傳變異有關(guān)，但人們對(duì)重癥新冠肺炎的遺傳貢獻(xiàn)和相關(guān)機(jī)制仍然了解較少。近日，美國洛克菲勒大學(xué)Jean-Laurent Casanova團(tuán)隊(duì)通過對(duì)1193例新冠肺炎患者進(jìn)行基因組檢測，發(fā)現(xiàn)其中的重癥患者攜帶有害的罕見變異(2020年9月24日在線發(fā)表，doi: 10.1126/science.abd4570)。這些突變來自于13個(gè)基因座位，相關(guān)基因富集于TLR3/IRF7依賴的I型干擾素通路。對(duì)這13個(gè)基因座位上的全部118個(gè)非同義突變進(jìn)行進(jìn)一步的功能研究，發(fā)現(xiàn)攜帶這些突變的細(xì)胞對(duì)SARS-CoV-2易感性更高。該研究表明，參與雙鏈RNA感應(yīng)的TLR3/IRF7依賴的I型干擾素免疫可能在控制SARS-CoV-2中發(fā)揮重要作用，而這些免疫相關(guān)基因的遺傳缺陷可能是部分個(gè)體發(fā)展為重癥新冠肺炎的原因?！鐾扑]人：周鋼橋

Nature | 三萬例精子基因組解析人類減數(shù)分裂重組變異規(guī)律

遺傳重組是有性生殖的重要概念，測定重組率、進(jìn)行單倍型分析也是遺傳分析的主要手段。那么每次減數(shù)分裂會(huì)發(fā)生多少次重組，在不同個(gè)體的不同染色體上的分布規(guī)律又如何？這個(gè)老問題需要獲得更精確和更細(xì)節(jié)的解答。美國Broad研究所Steven A. McCarroll和Avery Davis Bell團(tuán)隊(duì)對(duì)20個(gè)健康精子捐獻(xiàn)者的31,228個(gè)配子基因組進(jìn)行了平均0.01×的低深度單細(xì)胞測序，鑒定出813,122個(gè)染色體重組和787個(gè)非整倍染色體交換(2020年6月3日發(fā)表，doi: 10.1038/s41586-020-2347-0)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在個(gè)體間和細(xì)胞間，其重組率和變異率的變化比較大。不同捐獻(xiàn)者的每個(gè)精子平均重組次數(shù)在22.2~28.1之間分布，集中發(fā)生在遠(yuǎn)著絲粒區(qū)以及距離適度的近著絲粒區(qū)，特別是第一次重組更容易發(fā)生在遠(yuǎn)著絲粒區(qū)。染色體重組發(fā)生的函數(shù)是沿減數(shù)分裂聯(lián)會(huì)復(fù)合體的物理長度發(fā)生，而不是基因組的堿基距離。卵母細(xì)胞比精母細(xì)胞具有更長的聯(lián)會(huì)復(fù)合體，因此也會(huì)發(fā)生更多的交換重組。不同精母細(xì)胞的染色體物理長度反映了它們之前的差異高達(dá)兩倍，意味著染色體更緊密的精母細(xì)胞會(huì)有較少交換重組。此外，捐贈(zèng)者的精子非整倍體發(fā)生率差異更大，從1.0%~ 4.6%不等，發(fā)生染色體丟失是染色體獲得的2.4倍。性染色體的非整倍體發(fā)生率最高，并更可能在減數(shù)分裂I期發(fā)生，常染色體則相反。該研究通過大規(guī)模單細(xì)胞測序分析揭示了減數(shù)分裂染色體的可變物理壓縮可能決定了個(gè)體間和個(gè)體內(nèi)的變異。這種細(xì)胞生物學(xué)和人類生物學(xué)變異之間的相似性，原則上可用于多種環(huán)境下的生物學(xué)問題分析。■推薦人：姜雨