生物学科技信息|未知RNA聚合酶·北京观鸟地图·华南虎·隐秘细颈龙·小菜蛾·海参吐丝·酶与衰老·影响身高的基因
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3年切了1.5吨花菜！
90后博士生一作发Science
摘自4月14日《中国科学报》报道，近日，南方科技大学博士生谢国辉以共同第一作者的身份，收获了人生中的第一篇 Science 论文。这项研究解析了最后一种结构未知的真核RNA聚合酶——Pol V的功能机制，提出其通过滞留在染色质上而招募下游作用因子引起DNA甲基化和基因沉默的工作模型。审稿人在评价中指出，该研究为解析真核生物RNA聚合酶的分子结构找到了最后一块“拼图”。
研究示意图
南科大供图
一将功成万菜枯。在这篇Science论文背后，不得不讲讲那些逝去的花菜。打开手机订单页面，谢国辉好奇地数了一下这3年里到底用了多少花菜？结果让他大吃一惊：整整用了1.5吨花菜！为什么当初选择花菜作为实验材料呢？谢国辉告诉《中国科学报》，“我们研究的Pol V在植物中含量极低，提纯难度大，这给我们前期的研究带来了极大的挑战。在一次学术交流中，中科院曹晓风院士提到可以使用花菜提纯蛋白，这给了我们极大的启发。”
提取花菜的蛋白，首先需要将花菜的花削下来，用液氮冷冻后研磨成粉，加入细胞核提取液中，再将细胞核提取出来，并进行蛋白复合物的提取纯化，但能够纯化出来的Pol V微乎其微。
“10公斤的花菜往往能提取60克的细胞核，再从这60克的细胞核中提取蛋白，最后提出来的蛋白也就3微克左右。”谢国辉表示。更令人抓狂的是，很多时候拿到细胞核提取物再进行纯化后，根本鉴定不到蛋白质，“我们每一步都会检测，可以看到最开始是有Pol V蛋白的，然后随着不断地纯化，蛋白可能在某一步骤就突然不见了，这是令我们最头疼的时候，因为影响的因素有很多，需要逐个排查。”谢国辉无奈地说。
3年来，谢国辉和同伴重复了上百次蛋白提纯的实验过程。在前两年的时间里，谢国辉每隔一周就要切几十公斤的花菜，他将提取到的细胞核冻存在冰箱里，做实验时就从里面取一部分出来。为此，谢国辉还收获了有趣的外号：花菜杀手。“我本来就不爱吃花菜，这下子彻底不吃了，但是每次和同学一起去聚餐，他们都会点一份干锅花菜放到我面前。”谢国辉回忆起同门聚餐的场景，不禁笑了起来。经历了两年多与花菜斗智斗勇的日子，谢国辉等人终于获得了一株可以顺利提取蛋白的抗体，摸索出了合适蛋白提取纯化条件，从而获得了足够的蛋白，但他们又面临着另外一个难题。“一开始我们觉得只要蛋白提取出来，接下来的实验会更容易。但真正拿到蛋白后，我们发现它与其他聚合酶的性质不太一样，蛋白一旦多了以后它就聚在一起了，根本就不适合电镜数据的收集，更别说解析结构了。”谢国辉说。于是，谢国辉与正在深圳大学进行博士后工作的杜璇合作，在经过了近五个月的调试之后，终于将聚合的蛋白转变为独立的颗粒。“得益于前期的尝试，我们后期对蛋白的摸索还是比较有方向性。”
相关论文信息：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf8231
45处观鸟点！
北京发布观鸟地图
摘自4月16日《科普时报》报道，4月15日，记者从北京市第41个“爱鸟周”启动仪式上获悉，《北京观鸟地图》正式对外发布，共推出北海公园、翠湖湿地公园、房山十渡、延庆野鸭湖等45处鸟类资源丰富的观鸟点，为观鸟和拍鸟爱好者提供了指引。《北京市陆生野生动物名录（2023）》同期发布。
北京观鸟地图
北京市园林绿化局供图
北京观鸟地图
北京市园林绿化局供图
相较于2021年发布的《北京市陆生野生动物名录》，最新发布的《北京市陆生野生动物名录（2023）》中收录的野生动物种类已经由596种增加至608种，其中鸟类达到了515种。新增加的12种全部为鸟类，其中包括：灰冠鹟莺、紫背椋鸟和黑胸鸫等北京新记录物种。近年来，北京市在加大野生动物保护的同时，持续加大野生动物栖息地营建，鸟儿们也纷纷用翅膀来为良好的生态环境“点赞”，到北京安家落户。目前全市鸟类种类比十年前多了近百种。
另外，北京经过两轮百万亩造林绿化工程，让平原地区的大片森林汇成林海，联通碎片化的“生态孤岛”，打通野生动物迁移通道。特别是2018年启动的新一轮百万亩造林绿化建设，突出“近自然”理念，注重生态功能和生物多样性。通过配植食源植物、蜜源植物，以及适度留野，建设生物多样性保育小区，结合雨洪蓄滞建设小微湿地等措施，为野生动物提供食物、水源和安全的栖息环境，促进区域生物多样性恢复。经过持续恢复与建设，北京湿地面积已达6.21万公顷，为北京近50%的植物种类、76%的野生动物种类提供了生长栖息环境。
而森林公园、湿地公园、地质公园、风景名胜区等79处各级各类自然保护地的建成，使北京市90%以上的国家和地方重点野生动植物及栖息地得到有效保护。目前，全市已经形成以自然保护地、植物园、动物园、种质资源示范库为主体，各类公园、绿地、林地、湿地等栖息地为补充的生物多样性保护空间体系。
华南虎后代
仍保持适度遗传多样性
摘自4月20日《中国科学报》报道， BMC Biology 发表的一项研究发现，虽然华南虎已在野外灭绝，但其圈养后代仍保持着适度水平的遗传多样性。该研究指出，未来华南虎繁育有望借助基因组学提供的信息，减少亚种内遗传多样性的丢失。
一只雄性华南虎。
图片来源：《BMC生物学》
目前，所有圈养华南虎均为野外捕捉的两只雄虎和4只雌虎的后代。中国科学院昆明动物研究所博士生涂小龙、广州市野生动物研究中心高级兽医师陈武等研究人员对中国4家动物园29只华南虎的基因组进行测序，并将这些基因组与已发表的40多只老虎（11只东北虎、6只孟加拉虎、6只印支虎、9只马来虎、7只苏门答腊虎以及4只华南虎）的基因组进行比较。结果发现，华南虎基因组中仍保持着适度的遗传多样性。
研究人员发现，在全部6个虎亚种中，华南虎基因组中存在的有害突变（对蛋白质生产或功能产生高度或中度负面影响的突变）的平均比例最低，表明这些高度或中度有害突变的二倍体形式可能随着时间推移已从华南虎种群的这些基因组位置上流失。研究人员指出，上述发现体现了过去保护圈养华南虎的努力卓有成效，并建议利用基因组学数据为华南虎繁育提供信息，减少亚种内遗传多样性的丢失。该研究为动物园间实时监测和合理交换繁殖华南虎的基因组学保护提供了支持。
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两亿年前的主龙型家族
再添新成员
摘自4月20日《科技日报》报道，主龙型家族再添新丁！19日，记者从中国科学院古脊椎动物与古人类研究所获悉，通过研究以往在贵州采集的化石，该所研究人员发现一个主龙型家族新成员——隐秘细颈龙。它生活在2亿年前的三叠纪海洋中，脖子细长，以吃鱼为生。相关研究成果在线发表于 The Anatomical Record 。
隐秘细颈龙的生态复原
李可莱 绘制 古脊椎所供图
长颈龙的化石和复原骨架
王维 供图
长长的脖子能带来很多生存优势，比如拓展视野、便于获取食物、增加活动范围等。因此，在自然选择的作用下，脊椎动物中产生了不少“长颈”的类型，如蛇颈龙类、蜥脚类恐龙、长颈鹿以及多种鹭鸟等。地球历史上最夸张的“颈身比”，出现在一些三叠纪的主龙型类身上。主龙型类部分“长颈族”的脖子长度超过其体长的一半，典型代表是长颈龙和恐头龙。长颈龙属的大型物种体长接近6米，颈部约3米。“如此长的脖子，却只有13节颈椎。可见，长颈龙是通过单节颈椎增长的方式来发展出长脖子，这在爬行动物中很罕见。”论文第一作者、中科院古脊椎所副研究员王维说。
恐头龙是唯一可以和长颈龙相比肩的“长颈海怪”。与长颈龙体形类似，恐头龙体长5米，颈部也将近3米，但恐头龙的颈部发育有30多节颈椎。它凭借增加颈椎的数量来形成超长的脖子，这一点与长颈龙截然不同。
分析发现，隐秘细颈龙虽然有不少解剖特征像长颈龙,但在颈椎数量方面更接近恐头龙。它并不是通过延长每节颈椎来加长脖子，而是通过增加颈椎的数量，其颈椎数量超过18节，明显多于长颈龙科的其他成员，这种依靠增加颈椎数量来加长脖子的策略与恐头龙类似。
研究人员推测，在这些长颈的主龙型类中，通过增加颈椎数量来增加颈部长度，是更先出现，或更为普遍的现象。王维说，“纵观所有具有长颈的脊椎动物类群，从蛇颈龙类到蜥脚类恐龙，再到鸟类，通过增加颈椎数量来加长脖子的情况，比通过延长每节颈椎更为常见。”
小菜蛾为何能“对抗”杀虫剂
摘自科学网4月20日报道，苏云金芽孢杆菌（Bt）是近年来应用最广泛的微生物杀虫剂，它能产生多种杀虫蛋白，高效特异地杀死多种宿主昆虫。然而，目前全球已经有9种重要的农业害虫对Bt生物杀虫剂或转Bt基因抗虫作物产生了抗药性。其中，小菜蛾是最早对Bt生物杀虫剂产生抗药性的农业害虫。近日，中国农科院蔬菜花卉研究所（以下简称蔬菜所）研究员张友军团队通过研究小菜蛾适应性进化的分子机制，首次揭示了由逆转座子SE2介导的遗传变异及其重塑的顺式-反式调控网络所起的关键作用。相关成果近日在线发表于美国 PNAS 。
小菜蛾。
蔬菜所供图
小菜蛾是一种世界性重大农业害虫，也是世界上第一个在田间对Bt病原菌产生高抗性的宿主昆虫。它完成了对Bt病原菌的适应性进化，是研究宿主昆虫如何对抗Bt病原菌侵染的良好实验材料。此前的研究中，张友军团队发现，昆虫激素含量升高会激活丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）信号途径，而该途径可以通过不同的转录因子反式调控小菜蛾多个中肠基因的差异性表达，最终导致宿主昆虫小菜蛾对Bt病原菌进化产生高抗性。然而，介导小菜蛾对Bt病原菌产生稳定高抗性的关键遗传变异尚不明确。于是他们将研究重点放在与宿主适应性进化密切相关的转座子上。论文第一作者、蔬菜所博士后郭乐介绍，他们通过正向遗传学的基因定位实验发现，与Bt抗性表型显著关联的单核苷酸多态性位点和插入/缺失突变，主要位于MAPK信号途径的关键基因MAP4K4的上游非编码区。
随后，他们在该非编码区筛选鉴定出一个逆转座子SE2的插入，且SE2在调控抗性MAP4K4启动子活性中发挥了关键作用。遗传连锁实验表明，逆转座子SE2的插入与小菜蛾Bt抗性表型紧密连锁。为了在小菜蛾体内直接验证SE2是否与Bt抗性相关，他们进一步利用CRISPR/Cas9技术在抗性小菜蛾种群中对SE2进行了敲除。实验结果表明，在纯合的SE2敲除种群中，MAP4K4及下游多个中肠基因的表达量恢复至与敏感种群类似，且该种群对Bt的抗性水平显著下降。“这在体内证明了小菜蛾对Bt产生的高水平抗性与SE2的插入密切相关。”郭兆将说。论文第一作者、蔬菜所博士白杨介绍，他们发现逆转座子SE2内部存在一个保守的转录因子FOXO响应元件。而FOXO在调控昆虫的生长、发育及免疫等生理生化过程中发挥了重要作用。利用多种实验技术，研究人员发现，在Bt抗性小菜蛾中，FOXO可以与SE2中保守的响应元件结合。
该团队前期研究发现，昆虫保幼激素（JH）和蜕皮激素（20E）含量升高及其串扰可以增加小菜蛾MAP4K4基因表达量，进而激活MAPK信号途径。那么，转录因子FOXO在发挥对MAP4K4基因的调控活性时是否也受昆虫激素调节呢？实验结果表明，两种昆虫激素可以通过改变FOXO磷酸化状态影响FOXO与逆转座子SE2的结合，从而精准调控下游MAP4K4基因的转录水平。在此基础上，研究人员提出了小菜蛾对Bt病原菌抗性进化过程中由逆转座子SE2这一自然遗传变异重塑的调控网络机制。
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时隔190多年
我国科学家成功破解这一谜团！
摘自4月22日《科技日报》报道，从中国科学院南海海洋研究所获悉，该所热带海洋生物资源与生态重点实验室胡超群研究员团队， 在海参敌害防御机制研究方面取得了突破性进展，成功破解了海参“吐丝”之谜。该研究揭示了玉足海参居维氏器防御敌害的物质基础、感知过程与喷射机制，相关研究成果近日发表在国际期刊 PNAS 上。
玉足海参对梭子蟹“吐丝”。
研究团队供图
“吐丝”是许多热带海参遭到敌害威胁时，从肛门处喷出丝状小管并黏附缠绕捕食者的一种防御机制。海参喷出的小管被称为“居维氏器”，最早由法国古生物学家乔治?居维叶在1831年首次描述并以其名字命名。然而，190多年以来，居维氏器的成分及其黏性产生的机制一直是未解之谜。
胡超群团队以广泛分布于印度-西太平洋热带海域的一种居维氏器发达的玉足海参为研究对象。“我们发现玉足海参的居维氏器在黏附和缠绕敌害时，其外层间皮层和中层结缔组织层分别提供黏性和韧性的作用。通过染色体级的高精度基因组测序，发现居维氏器外层的黏性蛋白具有长串联重复序列，与蜘蛛和家蚕的丝蛋白类似；该类蛋白的结构为交叉-β结构，与人类阿尔茨海默病、帕金森病等疾病的致病性淀粉样蛋白相似。”胡超群说。
研究结果表明， 玉足海参利用瞬时受体电位通道感受捕食者施加的机械压力，并通过释放乙酰胆碱信号刺激居维氏器排出。在进化过程中，玉足海参基因组的3号和12号染色体集中形成了多个新基因，这些新基因使得居维氏器能够接收乙酰胆碱信号，并生成淀粉样黏性蛋白。
该发现阐释了海参“吐丝”的御敌行为机制，在研发提高人工增养殖海参适应能力的技术方面具有重大潜在应用价值，也为新型仿生水下黏合材料的研发提供了新思路。
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从酶入手 逆转衰老
摘自4月17日《中国科学报》报道，4月12日发表于 Nature 的一项研究显示，衰老似乎以同样的方式影响着5种截然不同的生命——人类、果蝇、大鼠、小鼠和蠕虫的细胞过程。这一发现可能有助于揭示是什么导致了衰老，并为如何逆转衰老提供了建议。澳大利亚新南威尔士大学悉尼分校生物化学家Lindsay Wu说：“这为理解人类如何衰老和为什么衰老开辟了一个真正的基础的新领域。”
RNA聚合酶（蓝色）将DNA（紫色）展开，把它作为模板生成信使RNA（红色）。在衰老细胞中，这一过程会加速。
图片来源：selvanegra/Getty
随着动物年龄增长，细胞内的各种分子过程变得不那么可靠，如基因突变更加频繁，染色体末端断裂、变短。论文共同通讯作者、德国科隆大学计算生物学家Andreas Beyer介绍，许多研究已经探索了衰老对基因表达的影响，但很少探讨它如何影响转录，即遗传信息从蓝图DNA链复制到RNA分子的过程。为了找到答案，Beyer和同事分析了5种生物在不同成年年龄的全基因组转录变化。研究人员测量了衰老如何改变驱动转录的RNA聚合酶Ⅱ（Pol Ⅱ）在复制RNA时沿着DNA链移动的速度。
结果发现，平均而言，Pol Ⅱ的速度随着年龄增长变得更快，但在所有5组中都不那么精确，更容易出错。Beyer说：“我们发现读数和参考基因组之间有很多不匹配。”先前的研究表明，限制饮食和抑制胰岛素信号传导可以延缓许多动物的衰老，延长其寿命，因此研究人员随后调查了这些措施是否对Pol Ⅱ的速度有影响。
他们发现，在携带胰岛素信号基因突变的蠕虫、小鼠和果蝇中，Pol Ⅱ的移动速度较慢。在低热量饮食的小鼠体内，这种酶的传播速度也较慢。但最终的问题是，Pol Ⅱ速度的变化是否会影响寿命。为此，Beyer团队追踪了携带突变的果蝇和蠕虫的存活情况，这些突变会减缓Pol Ⅱ的速度。研究发现，这些动物的寿命比不携带突变的同类长10%到20%。当研究人员使用基因编辑逆转蠕虫的突变时，其寿命缩短了。“这确实建立了因果关系。”Beyer 说。
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145个影响身高的基因确定
摘自4月18日《科技日报》报道，美国科学家在最新一期 Cell Genomics 杂志发表论文称，他们在一项针对小鼠和人类基因的研究中，精确定位了145个“身高基因”，这些基因能调控儿童生长板中的软骨细胞，有望决定人的身高。
图片来自：Pixabay
该研究负责人、波士顿儿童医院和哈佛医学院儿科内分泌学家诺拉诺拉·伦塔尔指出，确定与人类身高相关的特定基因极具挑战，因为身高是一种复杂的特征，受遗传和环境因素的综合影响。他们的研究重点是软骨细胞，因为软骨细胞是参与骨骼生长的主要细胞类型，这些细胞决定了每块骨头未来的长度和形状，在被称为生长板的组织区域“繁衍生息”。生长板位于儿童和青少年长骨末端附近。当一个人发育成熟时，这些软骨生长板会“闭合”，并被硬骨取代。
在最新研究中，伦塔尔团队筛选了6亿个小鼠软骨细胞，以寻找影响细胞增殖和成熟的基因。他们使用CRISPR基因组编辑技术“敲除”候选基因，以观察当这些基因“缺席”而不再调节软骨细胞时会发生什么。结果他们发现了145个基因，当这些基因被敲除时，会引发小鼠软骨细胞的异常生长和发育。这些异常生长模式与骨骼发育不良等某些骨骼疾病类似。骨骼发育不良是一组影响婴儿骨骼、关节和软骨发育的遗传疾病，患者通常身材矮小，四肢短小，还有其他症状。
接下来，研究人员将这145个小鼠基因与之前对人类身高进行的大规模遗传研究（全基因组关联研究）的结果进行了比较。结果显示，与人类身高相关的基因“热点”与控制小鼠软骨细胞生长的145个基因之间存在显著重叠。这意味着研究人员现在已经在人类基因组中精确定位了这些基因，它们对身高的影响可能比其他遗传因素更大。
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女性小肠比男性长30厘米
摘自4月26日《中国科学报》报道，更长的小肠可以改善人们对食物营养的吸收， PeerJ 于4月24日发布的一项研究表明，女性的小肠比男性长约30厘米，这使得女性在怀孕或哺乳期间可以吸收更多脂肪和其他营养物质。“小肠的功能就是吸收，吸收，再吸收。”美国北卡罗来纳州立大学的Amanda Hale说，“小肠是从食物中获取绝大部分营养的地方。”
小肠有助于进一步消化摄入的食物。
图片来源：MattLphotography/Alamy
Hale说，解剖课上，学生通常不会被教授个体差异，但这些差异可能有助于为医疗保健决策提供信息。“有一种公式化的方法，以平均值或大多数人的经历为中心。这与个体化医学不同。”Hale说，“在个体化医学中，你可以看到一个人的消化系统是否具有特殊的特征。”Hale与同样来自北卡罗来纳州立大学的Erin McKenney担心，重要的差异可能被忽视。他们为此测量了捐献给杜克大学的21具成年女性尸体和24具成年男性尸体的消化器官。他们发现，男性的小肠平均长度约4米多，而女性的小肠则比前者长约30厘米。一项统计分析表明，这种差异不是偶然的。Hale说：“如果女性的小肠更长、表面积更大，意味着她们可以从摄入的食物中吸收更多营养，这很可能与生殖有关。”
然而，这种解剖学上的差异可能并不能完全解释为什么某些胃肠道疾病在某种性别中更常见。例如，宾夕法尼亚州的坦普尔健康中心报告说，女性更容易患克罗恩病，而男性更容易患溃疡性结肠炎。McKenney说，免疫系统和遗传学中与性别相关的差异可能发挥着重要作用。研究人员还发现，其他器官的长度在尸体间存在差异。例如，这些尸体的胆囊长度从5.5到12.5厘米不等，而它们的阑尾长度从1.4到12.7厘米不等。器官的长度与尸体的身高没有关系，尸体的身高在149到184厘米之间；器官的长度也与其他器官的大小无关，例如，胆囊较长并不意味着阑尾较长。
研究人员在论文中强调，总的来说，这项研究表明，在诊断和治疗时，考虑人体独特的解剖结构很重要。这项研究由相对较少的受试者组成，但研究人员表示，“值得注意的是，尽管只测量了45具尸体，但我们还是发现了这种变化。”
相关论文信息：
https://peerj.com/articles/15148/
编辑 | 石玉帛
审核 | 李增娇
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