編委推薦

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Nature | 體外重建人的體節(jié)發(fā)生

2022年12月21日，以快速文章預(yù)覽的方式在線發(fā)表了題為“Reconstituting human somito-genesis”的研究論文(doi: 10.1038/s41586- 022-05649-2)。該研究主要由日本京都大學(xué)人類生物學(xué)高級研究所(ASHBi) Cantas Alev團(tuán)隊(duì)利用PSC(pluripotent stem cell)來源中胚層，通過3D培養(yǎng)建立了名為“類中軸”(axioloid)的類器官模型。這種axioloid類器官能夠模擬胚胎體節(jié)發(fā)生，準(zhǔn)確地捕捉體節(jié)發(fā)生過程中體節(jié)分割鐘(segmentation clock)的振蕩動(dòng)力學(xué)以及體節(jié)序貫形成的形態(tài)學(xué)和分子特征。axioloid類器官中的體節(jié)有類似胚胎體節(jié)的前–后軸圖式及穩(wěn)健的前–后軸FGF/WNT梯度和視黃酸(RA)信號。單細(xì)胞分析顯示axioloid類器官與人的胚胎中軸有極大的相似性。更重要的是，該axioloid類器官模型可以模擬和突變導(dǎo)致的人類先天性脊柱疾病的病理過程。因此，該研究提供了一個(gè)令人期待的探究人類中軸發(fā)育與疾病的嶄新類器官模型?！鐾扑]人：林古法

Science | 雜草快速適應(yīng)和范圍擴(kuò)張的群體遺傳學(xué)基礎(chǔ)

自1800年以來，全球耕地面積持續(xù)增加，優(yōu)良作物品種結(jié)合農(nóng)藥、化肥、灌溉和大規(guī)模機(jī)械化，使得農(nóng)作物產(chǎn)量不斷攀升，但隨之而來的環(huán)境變化已成為全球生物多樣性喪失的最主要的驅(qū)動(dòng)因素之一。面對如此極端的環(huán)境變化，在農(nóng)業(yè)環(huán)境中幸存并發(fā)展的物種，為研究人員提供了在當(dāng)代時(shí)間尺度上探索物種快速適應(yīng)性進(jìn)化的機(jī)會。2022年12月9日，發(fā)表了來自英屬哥倫比亞大學(xué)?Julia M. Kreiner團(tuán)隊(duì)關(guān)于水麻快速適應(yīng)和范圍擴(kuò)張的研究成果(doi: 10.1126/science.abo7293)。水麻是北美最嚴(yán)重的農(nóng)業(yè)雜草之一，具有超強(qiáng)的除草劑抗性，可在田間常年生長，并且能與大豆和玉米形成強(qiáng)生態(tài)位競爭。該研究比較分析了來自當(dāng)代自然環(huán)境和農(nóng)業(yè)環(huán)境中水麻群體的基因組數(shù)據(jù)，這些樣本包括了從1828年到2011年橫跨兩個(gè)世紀(jì)的歷史植物標(biāo)本。研究發(fā)現(xiàn)了水麻基因組中403個(gè)在農(nóng)業(yè)環(huán)境中的適應(yīng)性等位基因，與附近的自然環(huán)境相比具有更高的等位基因頻率。自20世紀(jì)60年代農(nóng)業(yè)集約化以來，這些等位基因頻率軌跡發(fā)生了顯著變化。通過分析雜草適應(yīng)的速度與人口變化和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵轉(zhuǎn)變之間的聯(lián)系，研究發(fā)現(xiàn)這種極端的進(jìn)化軌跡是由人類導(dǎo)致的物種遷移所促成的。這些結(jié)果揭示了農(nóng)業(yè)通過重塑生物遺傳多樣性，推動(dòng)了雜草在21世紀(jì)的快速適應(yīng)和范圍擴(kuò)張。■推薦人：康李鵬，魯非

Cell | 家犬譜系揭示行為多樣化的遺傳驅(qū)動(dòng)因素

家犬的選擇性育種產(chǎn)生了多種執(zhí)行專門任務(wù)的優(yōu)化品種，產(chǎn)生了一個(gè)用于理解行為是如何在基因組中編碼的強(qiáng)大系統(tǒng)。盡管犬種典型行為特征具有遺傳性，但因?yàn)槿惙N群結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，因此鑒定關(guān)聯(lián)位點(diǎn)極具挑戰(zhàn)性。美國國立衛(wèi)生研究院Elaine A. Ostrander團(tuán)隊(duì)克服了識別犬類行為的遺傳驅(qū)動(dòng)因素的長期困難，開發(fā)了一個(gè)參照標(biāo)準(zhǔn)來理解和識別犬種之間的關(guān)系和它們的行為之間的遺傳驅(qū)動(dòng)因素(2022年12月8日在線發(fā)表，doi: 10.1016/j.cell.2022. 11.003)。研究人員利用4000多只家養(yǎng)、半野生和野生犬類的遺傳數(shù)據(jù)，以及46,000多只家犬的行為調(diào)查數(shù)據(jù)，通過高維數(shù)據(jù)分析揭示了10種主要的犬類遺傳譜系及其行為相關(guān)性，確定犬類的行為多樣化早于現(xiàn)代犬種的形成，同時(shí)表明品種多樣化主要是由非編碼調(diào)節(jié)變異驅(qū)動(dòng)，而且犬類譜系間的遺傳多樣性與神經(jīng)發(fā)育基因共表達(dá)相關(guān)。這項(xiàng)工作為犬類多樣化提供了一個(gè)框架，并將家犬定位為揭示行為多樣性遺傳起源的無與倫比的系統(tǒng)?！鐾扑]人：胡靖揚(yáng)，于黎

Science | 藥敏結(jié)核分枝桿菌的抗生素韌性(antibiotic resilience)與結(jié)核病治療失敗有關(guān)

結(jié)核病是由結(jié)核分枝桿菌引起的重大傳染病，需要多種抗生素的長期治療?？股貕毫ο?，結(jié)核分枝桿菌演化出新的生存機(jī)制。2022年12月8日，美國哈佛大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院免疫與傳染病系Sarah Fortune團(tuán)隊(duì)在發(fā)表了題為“Tuberculosis treatment failure associated with evolution of antibiotic resilience”的文章(柳青云為第一作者)，發(fā)現(xiàn)結(jié)核分枝桿菌演化出一種新的策略——抗生素韌性(antibiotic resilience)(doi: 10.1126/science. abq2787)。研究者分析51,229株結(jié)核分枝桿菌臨床株的基因組，利用突變數(shù)量和dN/dS(非同義突變與同義突變比例)篩選受到正選擇的基因，發(fā)現(xiàn)大量轉(zhuǎn)錄因子被正選擇，尤其是編碼的merR型轉(zhuǎn)錄因子——韌性調(diào)節(jié)因子ResR (resilience regulator)。耐藥菌株中富集的突變主要集中在轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合DNA的螺旋–轉(zhuǎn)角–螺旋區(qū)域。構(gòu)建的3個(gè)(P59L、A85V和R95C)常見突變的H37Rv菌株均無典型的抗生素抗性或耐受性，突變菌株變得更長更寬，在藥物處理之后更快恢復(fù)生長，比野生型快20%～50% (4.7～6.8天出現(xiàn)菌落)。作者將此定義為抗生素韌性。熒光標(biāo)記的D–氨基酸標(biāo)記細(xì)胞壁合成實(shí)驗(yàn)表明抗生素處理后，突變菌株的兩極合成更多肽聚糖。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)resR能夠結(jié)合基因間區(qū)并調(diào)控轉(zhuǎn)錄，突變菌株與突變菌株表型類似。WhiB2和另外一個(gè)轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子WhiA一起啟動(dòng)細(xì)胞分裂，且和突變也是被正選擇的基因。該研究表明結(jié)核分枝桿菌通過積累以上基因突變幫助結(jié)核分枝桿菌在藥物處理后更快恢復(fù)生長。進(jìn)一步分析旨在縮短藥敏結(jié)核菌療程的REMoxTB試驗(yàn)III期臨床的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：從36名復(fù)發(fā)結(jié)核病患者分離的菌株中22.2%具有，或突變，菌株仍然對藥物敏感。這表明抗生素韌性與獲得典型耐藥性和治療失敗有關(guān)。該研究揭示結(jié)核病治療失敗不僅是傳統(tǒng)的抗生素抗性或藥物耐受性，抗生素韌性也是治療失敗的新原因，開發(fā)新藥或治療方案時(shí)需要考慮抗生素韌性?！鐾扑]人：月日古，謝建平

Nature | 十一異戊二烯基磷酸轉(zhuǎn)位酶提高微生物特定環(huán)境的適合度

細(xì)菌細(xì)胞壁具有固定細(xì)胞形態(tài)和保護(hù)細(xì)胞不受外界壓力損傷的功能。細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)的主要成分是肽聚糖(peptidoglycan，PG)，它是由雙糖單位、四肽尾和肽橋組成的多層網(wǎng)狀大分子。肽聚糖和其他細(xì)胞表面糖高分子的前體在細(xì)胞質(zhì)中合成，然后通過與可循環(huán)的脂質(zhì)載體十一異戊二烯基磷酸(C55-P)結(jié)合，穿過細(xì)胞膜，運(yùn)輸至周質(zhì)空間再連接到肽聚糖上。C55-P以焦磷酸鹽形式(C55-PP)釋放，之后在相關(guān)酶的作用下去磷酸重新生成C55-P，運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞質(zhì)，然而回收C55-P載體的具體蛋白質(zhì)仍然未知。2022年11月30日，美國麻省理工學(xué)院Brandon Sit、哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院微生物學(xué)系Veerasak Srisuk-nimit和瑞典于默奧大學(xué)(Ume? University)Emilio Bueno等合作在發(fā)表了題為“Undecaprenyl phos-phate translocases confer conditional microbial fitness”的研究論文，報(bào)道了霍亂弧菌()通道內(nèi)膜蛋白VCA0040在C55-P回收轉(zhuǎn)運(yùn)過程中發(fā)揮著重要作用(doi: 10.1038/s41586-022-05569-1)。該蛋白含有一個(gè)功能未知的保守結(jié)構(gòu)域DUF368(PF04018)。該結(jié)構(gòu)域不僅在革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌之間相對保守，而且在整個(gè)微生物界都具有高度保守性。和野生型相比，Δ呈現(xiàn)生長缺陷且在堿性條件下其細(xì)胞會變?yōu)榍蛐?。Δ突變株的PG含量比野生型少1.5～2倍，但有更多的PG前體UDP-M5，堿性條件下這種現(xiàn)象則更加明顯。在Δ異源表達(dá)革蘭氏陽性菌－金黃色葡糖球菌()或者古菌的DUF368同源蛋白可以回補(bǔ)Δ堿性條件下的生長缺陷。這表明DUF368在一定pH條件下對肽聚糖的合成有重要作用。安福霉素(amphomycin)是一種Ca2+依賴性脂肽類抗生素，可特異性結(jié)合胞質(zhì)膜外葉中的C55-P，并抑制其循環(huán)。用安福霉素處理野生型霍亂弧菌會導(dǎo)致C55-P積累，這與在堿性條件下Δ的生長缺陷現(xiàn)象類似。在大腸桿菌中異源表達(dá)DUF368可對安福霉素產(chǎn)生抗性，表明DUF368在堿性條件下對C55-P的循環(huán)轉(zhuǎn)運(yùn)起作用。的互作網(wǎng)絡(luò)中發(fā)現(xiàn)N900_RS16280 ()與具有強(qiáng)相互作用，其編碼大腸桿菌DedA家族成員YghB的同源蛋白。YghB與細(xì)胞被膜穩(wěn)態(tài)有關(guān)，其過表達(dá)恢復(fù)了堿性條件下Δ的生長缺陷，表明了DedA家族成員也與C55-P的轉(zhuǎn)運(yùn)有關(guān)。此外，含DUF368結(jié)構(gòu)域的VCA0040蛋白與霍亂弧菌在宿主內(nèi)的定植有關(guān)，與野生型相比，Δ在兔子所有腸段的定植都受到嚴(yán)重影響。該研究證明了DUF368和DedA家族蛋白是C55-P轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，提供了關(guān)于C55脂質(zhì)載體再循環(huán)途徑的新見解。盡管有報(bào)道稱含有DUF368結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)僅存在于細(xì)菌和古菌，但DedA家族成員廣泛存在于真核生物中，包括人類。因此，該發(fā)現(xiàn)可能會促進(jìn)人們對生命物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)的認(rèn)識，也為靶向C55-P循環(huán)的抗生素研發(fā)提供靶標(biāo)。■推薦人：徐瑩，謝建平