近日，中國科學院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院賴良學課題組在基因蛋白表達水平的雙向定量調(diào)控領(lǐng)域取得了重要突破。相關(guān)成果以“Precise genome editing of the Kozak sequence enables bidirectional and quantitative modulation of protein translation to anticipated levels without affecting transcription”為題在線發(fā)表于Nucleic Acids Research（核酸研究）雜志。 近日，中國科學院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院賴良學課題組在基因蛋白表達水平的雙向定量調(diào)控領(lǐng)域取得了重要突破。相關(guān)成果以“Precise genome editing of the Kozak sequence enables bidirectional and quantitative modulation of protein translation to anticipated levels without affecting transcription”為題在線發(fā)表于Nucleic Acids Research（核酸研究）雜志。該研究以蛋白翻譯調(diào)控元件—Kozak序列為切入點，開發(fā)出一種全新的、普適的策略，用于精細調(diào)控目標基因蛋白表達水平。這種策略在不觸及基因轉(zhuǎn)錄的情況下，既能實現(xiàn)蛋白表達水平的雙向（上調(diào)或下調(diào)）調(diào)控，又能將蛋白表達水平控制在預測范圍內(nèi)。 基因的表達包括轉(zhuǎn)錄和翻譯兩個過程，其表達水平的調(diào)控可以在多個層面上進行，包括基因組、轉(zhuǎn)錄、翻譯等層面。過去的研究已經(jīng)對調(diào)控基因表達進行了大量探索，并取得了許多重要的進展。例如，通過使用基因編輯工具對基因序列進行編輯，引入移碼突變或破壞起始密碼子等，可以實現(xiàn)目標基因的完全敲除；利用組成型啟動子或組織特異性啟動子，可以實現(xiàn)目標基因的過量表達；利用RNA干擾技術(shù)或CRISPR/Cas9激活或抑制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)目標基因的激活或抑制。然而，這些策略只能實現(xiàn)目標基因的完全敲除或?qū)⒛繕嘶虻谋磉_量調(diào)控到不可預測的水平，而不能實現(xiàn)目標基因的可預測定量調(diào)控。 在真核細胞的mRNA中，非翻譯區(qū)（Untranslated Region，UTR）存在調(diào)控基因翻譯的元件，如Kozak序列、上游開放閱讀框（Upstream Open Reading Frame, uORF)等。有課題組針對uORF進行設計，建立了精細上調(diào)或下調(diào)內(nèi)源基因翻譯的方法，并成功應用到植物分子設計育種領(lǐng)域。但該策略無法定量地將蛋白表達控制在特定水平。Kozak序列是翻譯起始附近的序列，對于核糖體正確識別翻譯起始密碼子具有直接關(guān)系，其序列的不同，會導致蛋白合成量的差異，這提示了通過改造基因Kozak序列可能獲得不同翻譯效率的調(diào)控效果。 因此，該研究基于對編碼基因Kozak序列的精確操作，提出了一種名為KZ3-edit的新型基因表達調(diào)控策略：利用精準基因編輯技術(shù)在DNA水平上精確修飾起始密碼子上游的3個核苷酸（這是Kozak序列的一部分，堿基偏好最顯著，被命名為KZ3），這足以高效調(diào)控基因的翻譯效率。在不改變基因的轉(zhuǎn)錄水平和蛋白質(zhì)序列的情況下，對mRNA的翻譯水平進行定量和雙向調(diào)控，從而將蛋白表達精細地控制在預期的水平。通過體外雙熒光報告系統(tǒng)、綠色熒光細胞系及內(nèi)源基因三個層面，研究人員驗證了KZ3-edit策略的有效性和靈活性，并證實通過精準基因編輯工具對基因主效開放閱讀框（Primary Open Reading Frame, pORF）或uORF起始密碼子上游KZ3序列的單個堿基改變或堿基組合轉(zhuǎn)變，可以實現(xiàn)特定基因翻譯水平的高效調(diào)控。 此外，研究人員還將該策略應用于家兔生物性狀的調(diào)控，分別以調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝的PCSK9基因和調(diào)控毛發(fā)生長周期的HR基因為靶基因。一方面，通過改變PCSK9基因的pORF的KZ3序列來直接降低PCSK9蛋白表達量，成功構(gòu)建了低膽固醇家兔模型；另一方面，通過修飾HR基因的uORF—U2HR，改變其KZ3序列而間接上調(diào)HR基因的蛋白表達量，成功構(gòu)建了遺傳性少毛癥家兔模型。這兩種家兔模型的成功構(gòu)建為KZ3-edit策略在基因的精細調(diào)控中的應用，以獲得目標生物性狀提供了范例。 該研究提出了一種普適、高效、靈活的基因翻譯調(diào)控新策略，可以對目標基因起始密碼子前三個堿基進行直接基因編輯，從而實現(xiàn)雙向定量調(diào)控目標基因翻譯水平的效果。這種策略理論上可以應用于真核生物所有的編碼基因，且該策略調(diào)控翻譯的有效性、設計簡便性以及應用多樣性將為基因功能研究、人類遺傳疾病模型構(gòu)建與治療、農(nóng)業(yè)精準分子設計育種等提供重要的技術(shù)手段。 本研究中，廣州健康院謝精科副研究員、莊鎮(zhèn)鵬博士和茍士學博士為共同第一作者，王可品研究員和賴良學研究員為共同通訊作者。該研究成果得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、海南省科技計劃、廣東省科技計劃、中國科學院青年創(chuàng)新促進會等項目的資助。 論文鏈接 KZ3-edit策略原理圖
團隊采用低溫沉積3D打印技術(shù)研發(fā)了一種可降解高分子復合黑磷的多功能仿生多孔支架，首次研究了黑磷支架在植入骨組織中引起的免疫響應功能，該支架能夠通過調(diào)控免疫系統(tǒng)影響免疫微環(huán)境從而有效促進骨缺損修復，具有廣闊的臨床應用前景 近日，中國科學院深圳先進技術(shù)研究院賴毓霄研究團隊在骨缺損治療方向取得重大突破，團隊采用低溫沉積3D打印技術(shù)研發(fā)了一種可降解高分子復合黑磷的多功能仿生多孔支架，首次研究了黑磷支架在植入骨組織中引起的免疫響應功能，該支架能夠通過調(diào)控免疫系統(tǒng)影響免疫微環(huán)境從而有效促進骨缺損修復，具有廣闊的臨床應用前景（圖1）。相關(guān)研究成果以題為Regulation of Osteoimmune Microenvironment and Osteogenesis by 3D-Printed PLAG/black Phosphorus Scaffolds for Bone Regeneration發(fā)表在Advanced Science期刊上（IF=15.10）。論文第一作者為深圳先進院龍晶和姚振宇副研究員，通訊作者為賴毓霄研究員。 骨缺損的治療是臨床上亟需解決的重大挑戰(zhàn)之一，3D打印技術(shù)在骨科領(lǐng)域引起了廣泛的關(guān)注，因為它可以制造出具有復雜結(jié)構(gòu)和良好生物相容性的可植入骨支架。目前的植入骨支架在與宿主組織結(jié)合方面仍存在一定的挑戰(zhàn)，在骨支架的設計中，不僅需要考慮力學性能和生物相容性，還需要考慮其在骨再生過程中對免疫反應的調(diào)節(jié)作用。黑磷作為一種新型的二維材料，已經(jīng)在催化能源、光電器件和腫瘤治療等領(lǐng)域得到了廣泛應用，但對于黑磷在骨再生領(lǐng)域尤其是骨免疫微環(huán)境調(diào)節(jié)方面的作用仍需進一步研究。在本研究中，我們使用低溫沉積3D打印技術(shù)開發(fā)了一種可降解高分子乳酸-乙醇酸（PLGA）結(jié)合黑磷（BP）的多功能仿生多孔支架，并證明了黑磷具有調(diào)控巨噬細胞極化及對骨免疫微環(huán)境和骨再生的調(diào)節(jié)作用。首先，我們發(fā)現(xiàn)PLGA/BP支架具有良好的生物相容性、生物降解性和力學性能，且黑磷的降解產(chǎn)物PO43-對骨組織礦化具有重要意義。其次，我們觀察到PLGA/BP支架可以招募巨噬細胞，并促進它們向M2型極化，這種極化狀態(tài)有助于抑制骨損傷區(qū)早期炎癥反應，并創(chuàng)造良好的骨免疫環(huán)境，從而促進骨髓間充質(zhì)干細胞的分化和骨再生。此外，通過對人骨髓間充質(zhì)干細胞（hBMSC）的轉(zhuǎn)錄組學分析，我們篩選并證明了PLGA/BP支架可以通過激活PI3K-AKT信號通路促進IBSP和SPP1的表達。在體內(nèi)研究中我們進行了一項針對類固醇相關(guān)性骨壞死（SAON）大鼠的實驗，SAON是一種由長期使用或短期內(nèi)大劑量使用皮質(zhì)類固醇治療引起的常見骨科疾病，其過程伴有嚴重的炎癥反應。我們提出了一種以臨床挑戰(zhàn)為導向的骨免疫調(diào)節(jié)和成骨治療方法，利用適當?shù)墓切迯筒牧蠈AON骨缺損進行填充和修復。實驗結(jié)果顯示，采用3D打印的PLGA/BP支架能夠誘導M2型巨噬細胞的增加，促使機體產(chǎn)生適合骨整合的免疫微環(huán)境，加速骨組織的形成和修復效果，表明黑磷支架在骨科領(lǐng)域具有良好的應用前景，為開發(fā)骨修復生物材料在再生醫(yī)學應用上提供了一種有效策略。 該研究得到國家自然科學基金、中國科學院跨學科創(chuàng)新團隊、廣東省自然科學基金、深圳市自然科學基金基礎(chǔ)研究等相關(guān)項目的資助。 低溫3D打印黑磷支架用于骨免疫調(diào)控及促進骨缺損修復的研究路線圖 原文鏈接
團隊提出了一種具有磁驅(qū)動主動轉(zhuǎn)向和自主推進能力的磁性介入導絲機器人系統(tǒng)。 近日，中國科學院深圳先進技術(shù)研究院集成所智能仿生中心團隊和深圳大學附屬華南醫(yī)院神經(jīng)外科團隊合作，在磁驅(qū)動連續(xù)體微型機器人領(lǐng)域取得新進展。團隊提出了一種具有磁驅(qū)動主動轉(zhuǎn)向和自主推進能力的磁性介入導絲機器人系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)介入醫(yī)生能遠程操控磁性導絲在復雜的血管分叉處快速選擇正確路徑并到達目標部位，有效減少醫(yī)生的輻射暴露。團隊提出了磁性導絲的建模方法與軌跡規(guī)劃方法，為磁性導絲的自動控制奠定基礎(chǔ)。 研究成果以A Magnetically Controlled Guidewire Robot System with Steering and Propulsion Capabilities for Vascular Interventional Surgery為題，發(fā)表在智能系統(tǒng)領(lǐng)域權(quán)威期刊Advanced Intelligent Systems （JCR一區(qū)，影響因子：7.4）。智能仿生中心徐天添課題組博士研究生付仕雄為第一作者，先進院徐天添研究員和深大華南醫(yī)院杜世偉主任醫(yī)師為通訊作者。 血管介入手術(shù)是在醫(yī)學影像設備的導引下，利用導絲、導管等器械經(jīng)血管途徑診療的操作技術(shù)。神經(jīng)介入手術(shù)是治療各種腦血管疾病的重要手段，對醫(yī)生經(jīng)驗要求很高。偏遠地區(qū)的介入醫(yī)療資源緊缺。醫(yī)生需要在造影下觀察導絲位置，累積的輻射有損健康。對此，團隊提出一種具有磁驅(qū)動主動轉(zhuǎn)向和自主推進能力的磁性介入導絲機器人系統(tǒng)，可以協(xié)助醫(yī)生遠程操控，或替代醫(yī)生自動化控制，能有效減少醫(yī)生的輻射暴露和支援偏遠地區(qū)。團隊在導絲的尖端連接一段磁性水凝膠材料，使醫(yī)用介入導絲具有磁響應，可在外部磁場的驅(qū)動下靈活轉(zhuǎn)向，并通過影像系統(tǒng)反饋位置。團隊結(jié)合偶極子模型和Cosserat-rod模型，建立了連續(xù)體力學模型預測導絲尖端的變形，并開發(fā)了軌跡規(guī)劃算法，根據(jù)血管的路徑推斷外部驅(qū)動磁鐵的位置軌跡和推進器速度實現(xiàn)自主控制。 團隊通過磁場表征和轉(zhuǎn)向表征實驗，證實提出的模型可以預測并重建導絲尖端的非線性變形。團隊實現(xiàn)了介入導絲的自主控制，根據(jù)已知的血管路徑，通過磁場控制導絲在血管模型內(nèi)從穿刺點經(jīng)過四條不同的路徑分別到達大腦中動脈的四個目標位置，到達時間均小于2分鐘。團隊也實現(xiàn)了介入導絲的遠程控制。介入醫(yī)生在操作間外，在DSA影像的實時引導下遠程控制磁性導絲，通過血管模型的右側(cè)內(nèi)頸動脈到達目標位置，用時大約為2分鐘。未來，科研團隊將繼續(xù)研究磁控導絲機器人系統(tǒng)的智能控制，幫助醫(yī)生更高效、安全地完成介入手術(shù)。 該系列研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金（優(yōu)青，聯(lián)合重點）、廣東省粵深聯(lián)合重點、中科院青促會、深圳市重點等科技項目資助。
近日，中國科學院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院鄭輝團隊在Cell Death and Disease期刊發(fā)表了題為“Nuclear localization of TET2 requires β-catenin activation and correlates with favourable prognosis in colorectal cancer”的研究成果，揭示了β-catenin的激活促進TET2核轉(zhuǎn)位并與腸癌的良好預后密切相關(guān)。 近日，中國科學院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院鄭輝團隊在Cell Death and Disease期刊發(fā)表了題為“Nuclear localization of TET2 requires β-catenin activation and correlates with favourable prognosis in colorectal cancer”的研究成果，揭示了β-catenin的激活促進TET2核轉(zhuǎn)位并與腸癌的良好預后密切相關(guān)。 DNA去甲基化酶TET2在調(diào)控DNA甲基化狀態(tài)中發(fā)揮重要作用。在血液腫瘤中，TET2具有高頻的基因突變，導致其活性丟失，但在腸癌等實體腫瘤中，TET2的失活形式和機制還不清楚。 該研究首先揭示了TET2在腸癌中的活性異常，主要表現(xiàn)為核定位丟失和DNA去甲基化活性下降，在組織切片染色分析中發(fā)現(xiàn)TET2核定位與病人良好預后密切相關(guān)。進一步研究發(fā)現(xiàn)，WNT通路關(guān)鍵蛋白β-catenin是TET2的關(guān)鍵結(jié)合蛋白，β-catenin激活促進TET2入核并發(fā)揮DNA去甲基化作用。由于多項研究表明，維生素C具有促進TET2活性的作用，該研究通過體內(nèi)外實驗還發(fā)現(xiàn)，將β-catenin激活劑和維生素C聯(lián)用可以在較低的維生素C濃度下實現(xiàn)腫瘤生長的顯著抑制，這一現(xiàn)象在TET2敲除后消失。 該研究揭示了在實體瘤中，TET2的失活形式主要表現(xiàn)為核定位丟失，與血液腫瘤的高頻突變具有顯著差異。這一研究不僅豐富了TET2的活性調(diào)控機制，也為腸癌治療提供新的靶點。此外，本研究展示的以β-catenin激活劑和維生素C 聯(lián)用的抗腫瘤用藥方案具有潛在的臨床應用價值。 廣州健康院李長朋、何靜彩、孟斐以及王付卉為論文的共同第一作者。廣州健康院鄭輝研究員、中山大學附屬腫瘤醫(yī)院買世娟教授為共同通訊作者。該研究成果得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金等項目的資助。 論文鏈接 β-catenin介導TET2核轉(zhuǎn)位抑制腸癌進展機制示意圖
弧弧碰撞是匯聚板塊邊界側(cè)向增生的主要方式之一，其碰撞拼貼的動力學過程與機制吸引了學術(shù)界的廣泛關(guān)注。日本中部本州弧(Honshu arc)和伊豆小笠原弧(Izu-Bonin arc)之間的斜向碰撞以及東南亞馬魯古海地區(qū)桑義赫弧(Sangihe Arc)與哈馬黑拉弧(Halmahera Arc)之間的正向碰撞是弧弧碰撞的典型代表，但這些現(xiàn)今的弧弧碰撞帶主要出露淺部地殼巖石組合，記錄了弧弧碰撞過程中淺表沉積和變形響應方面的信息，而中下地殼巖石在這些現(xiàn)今弧弧碰撞帶中往往未能得以廣泛剝露，制約了我們對于弧弧碰撞過程中不同地殼層次巖石變形響應機制的認知。中亞造山帶是顯生宙以來最大的增生型造山帶，涉及到一系列巖漿弧體系的碰撞拼貼，并在中新生代發(fā)生了廣泛的隆升剝失，出露了大量中下地殼層次巖石，使其成為研究弧弧碰撞拼貼過程中深部地殼變形與熱響應機制的天然實驗室。 額爾齊斯構(gòu)造帶是中亞造山帶中一條十分重要的古縫合帶，代表著阿爾泰大陸邊緣弧與東西準噶爾洋內(nèi)弧體系的縫合邊界，是認知弧弧碰撞拼貼過程的理想窗口。長期以來，圍繞額爾齊斯構(gòu)造帶東段的韌性變形構(gòu)造開展了廣泛研究，限定了阿爾泰與東準噶爾碰撞拼貼的時限及動力學過程；但由于額爾齊斯構(gòu)造帶西段被中新生代沉積物廣泛覆蓋，制約了阿爾泰與西準噶爾縫合位置、時限及動力學過程方面的研究。鑒于此，中國科學院廣州地球化學研究所博士生胡萬萬、李鵬飛研究員及其合作者，圍繞額爾齊斯構(gòu)造帶西段布爾津地區(qū)的零星古生代巖石露頭，開展了變形構(gòu)造解析為基礎(chǔ)的大地構(gòu)造重建工作，揭示了額爾齊斯構(gòu)造帶西段縫合的位置、時限及其動力學過程。 研究人員基于詳細的野外工作，在額爾齊斯構(gòu)造帶西段的布爾津地區(qū)，沿著泥盆紀布爾津組與石炭紀那林卡拉組/恰其海組/卡拉崗組的邊界處識別出~WNW–ESE向脆性左行走滑斷裂，該斷層兩側(cè)沉積地層碎屑鋯石年齡譜與Hf同位素存在明顯差異，并分別對應于阿爾泰與西準噶爾北部的碎屑鋯石年齡譜與Hf同位素特征，因而指示該~WNW–ESE向脆性左行走滑斷層為額爾齊斯縫合帶的延伸部分。此外，阿爾泰造山帶南部和西準噶爾地體北部，發(fā)育一期NW-SE向褶皺構(gòu)造，其形成于石炭紀末期至二疊紀，為阿爾泰造山帶與西準噶爾地體初始正向碰撞拼貼的產(chǎn)物（圖1）。而左行脆性走滑構(gòu)造切割了北西-南東向褶皺構(gòu)造，指示阿爾泰造山帶與西準噶爾地體在二疊紀以斜向匯聚為特征（圖1）。 對比額爾齊斯構(gòu)造帶東西兩段的變形變質(zhì)特征，發(fā)現(xiàn)其沿著走向存在顯著差異。沿著該構(gòu)造帶，阿爾泰造山帶南緣巖石變質(zhì)程度從西段的布爾津地區(qū)向著東段的富蘊-青河地區(qū)逐漸增強，指示額爾齊斯構(gòu)造帶從西向東代表著一個傾斜的弧弧碰撞帶，其東西兩段分別為中下地殼和上地殼變形變質(zhì)的產(chǎn)物。值得注意的是，在額爾齊斯構(gòu)造帶東段的富蘊-青河地區(qū)，產(chǎn)出一期早二疊世近水平面理和平行于造山帶拉伸線理(原始方向)，指示著中下地殼平行造山帶的物質(zhì)流動，其可能與早期碰撞地殼加厚后的垮塌有關(guān)，而該期變形在目前暴露的中上地殼層次巖石中（布爾津地區(qū)）缺少記錄。綜合來看，阿爾泰造山帶與東/西準噶爾地體的碰撞拼貼經(jīng)歷了地殼加厚、平行造山帶伸展及轉(zhuǎn)換壓縮三個階段的演化過程（圖2），但平行造山帶伸展的變形構(gòu)造目前主要保存在額爾齊斯構(gòu)造帶東段的中下地殼巖石中。 該項工作重建了阿爾泰造山帶與東/西準噶爾地體碰撞拼貼的4D動力學演化過程，揭示了弧弧碰撞拼貼過程中地殼分層差異變形及其耦合機制，豐富了增生造山環(huán)境下塊體碰撞拼貼與變形響應方面的認知。該項成果近期發(fā)表在國際構(gòu)造地質(zhì)學期刊《Tectonics》。 論文信息：Wanwan Hu(胡萬萬), Pengfei Li *(李鵬飛), Chao Yuan(袁超), Min Sun(孫敏), Yingde Jiang(蔣映德), Keda Cai(蔡克大), Chao Zhang(張超), 2023. Structural and geochronological constraints on the collision between the Chinese Altai and the West Junggar in Central Asia: implication for deformation response and geodynamic evolution of arc-arc collision in 4D. Tectonics, 42, e2023TC007770. 論文鏈接 圖1 阿爾泰造山帶與西準噶爾地體碰撞拼貼演化模式圖。（a）階段1：晚石炭世-早二疊世，阿爾泰造山帶與西準噶爾地體沿額爾齊斯構(gòu)造帶正向碰撞，在縫合帶兩側(cè)產(chǎn)出NW-SE向褶皺構(gòu)造（b-c）；（d）階段2：早-中二疊世，阿爾泰造山帶與西準噶爾地體斜向匯聚，沿額爾齊斯斷層左行走滑，產(chǎn)出擦痕、階步等脆性走滑構(gòu)造（e-f）。 圖2 阿爾泰造山帶與東西準噶爾地體石炭紀末期至二疊紀碰撞拼貼4D演化圖。（a）阿爾泰與東/西準噶爾初始正向碰撞，導致地殼加厚；（b）阿爾泰與東/西準噶爾匯聚過程中短期平行造山帶伸展變形，在深地殼層次發(fā)育近水平面理構(gòu)造與平行造山帶拉伸線理構(gòu)造，而在淺部構(gòu)造層次推測曾發(fā)育了裂谷構(gòu)造;（c）阿爾泰與東/西準噶爾斜向匯聚，沿著額爾齊斯構(gòu)造帶發(fā)生大規(guī)模左行走滑，其相關(guān)的壓縮分量導致了深部地殼沿著額爾齊斯構(gòu)造帶不均勻抬升剝露。注：額爾齊斯斷層在布爾津地區(qū)走向~WNW-ESE，而在富蘊地區(qū)走向~NW-SE，二者斜向匯聚角度不同（前者低角度，而后者高角度斜向匯聚），對應不同的壓縮分量。
