类器官技术与合成生物学协同研究进展

类器官由成体干细胞或多能干细胞在体外分化而来,可以在细胞类型、空间结构及生理功能上实现对体内组织器官的模拟。类器官的构建及技术完善,推动了发育生物学、遗传学、病理毒理学等发展。合成生物学是一门多学科交叉的新兴学科,以工程学思想为指导,旨在通过工程化、模块化的方法设计、改造、构建生物元件、系统、功能等。近年来类器官构建的优化方案体现了与合成生物学契合的研究理念,而合成生物学的发展及相关方法的产生也为类器官技术的发展起到了推动作用。本文将概述类器官和合成生物学的发展历程与面对的挑战,探讨类器官优化过程中合成生物学策略的体现与新兴的合成生物学工具对于类器官在时空命运调控、结构自组织及功能形成等方面的优化作用,简述基于类器官模型的研究对于合成生物学发展的促进作用。总的来说,本文旨在阐述合成生物学与类器官构建及优化之间相辅相成、互相促进的关系,并进一步探讨合成生物学与类器官在未来结合应用的潜力。

基因组编辑技术——后基因组时代生命科学研究的助力器

1953年，沃森和克里克发现了DNA双螺旋结构，不仅探明了DNA分子的结构，而且提示了DNA复制的分子机制，“生命奥秘”的黑匣子从此被打开，开启了生命科学研究的新时代——分子生物学时代。之后的几十年中，人们好奇于揭秘人自身的遗传密码。21世纪初，随着人类全基因组测序的完成，生命科学研究进入了一个以揭示基因功能为目的的后基因组时代，而在这一时代，基因组编辑技术毫无疑问成为了重要的研究工具和手段。

发展亲和质谱技术加速G蛋白偶联受体的配体筛选和药物发现

基于靶蛋白配体亲合作用检测的亲和质谱技术与常规高通量筛选技术相辅相成,已发展成为药物先导化合物早期发现流程中的关键技术之一。G蛋白偶联受体(GPCR)家族由于其特殊的生化性质,对基于亲合作用的配体筛选和配体表征提出了巨大的技术挑战。文章主要介绍亲和质谱技术用于GPCR配体筛选的基本原理及其特点,并总结该技术用于大规模化合物库及天然草本粗提物筛选的前沿进展。

基因魔剪:改写生命密码新工具

2020年度诺贝尔化学奖授予法国生物化学家沙彭蒂耶和美国生物化学家杜德纳,她们开发的高效率、模块化基因编辑系统CRISPR/Cas掀起了一场生物技术的革命,为基因工程的发展指引了方向。

利用三代测序技术识别小鼠早期胚胎等位基因特异的转录本和剪切事件

目的:探究三代测序技术在研究小鼠早期胚胎发育过程中等位基因特异的转录组和可变剪切中的优势。方法:收集已发表文献中小鼠早期胚胎的测序数据,用这些数据识别等位基因特异的转录本和可变剪切事件以及差异可变剪切事件,比较二代测序数据和三代测序数据识别的结果。结果:小鼠早期胚胎7个阶段的三代测序数据中分别识别出1288、759、734、955、976、953和834个等位基因特异的转录本,值得注意的是50%~94%的等位基因特异的转录本无法被二代测序数据所识别。与二代测序技术相比,三代测序在鉴别可变剪切事件方面具有更高的潜力,并且三代数据可以鉴别出大量准确且特异的剪切结。另外,在每个阶段平均鉴定出650个等位基因特异的可变剪切事件和26个差异可变剪切事件。结论:三代测序技术有助于发现新的等位基因特异的转录本和可变剪切事件以及差异可变剪切事件,从而为早期胚胎发育研究领域提供宝贵的注释资源。

类精子干细胞介导的遗传改造与应用

类精子干细胞是源自小鼠孤雄囊胚中的一种新型单倍体胚胎干细胞,仅含父源遗传物质,性染色体为 X 染 色体,能在体外自我更新、增殖和诱导分化。类精子干细胞技术结合 CRISPR/Cas9 技术,通过卵子注射可高效稳 定地获得基因型确定的半克隆小鼠。类精子干细胞介导的遗传改造具有广泛的应用前景:高效建立动物模型,快 速模拟复杂疾病,挖掘新的诊断和治疗方法;实现动物模型个体水平的靶向遗传筛选;推动基因组标签计划的规模 化实施。

基于CRISPR-dCas9转录激活系统的毛果杨ANT转录因子功能分析

基于CRISPR-dCas9的基因转录激活表达能够避免基因异位表达带来的表型干扰,同时使基因有效地特异性表达。该研究利用新型CRISPR-Act3.0表达系统,在毛果杨(Populus trichocarpa)中对维管形成层特异表达转录因子ANT(AINTEGUMENTA)进行基因转录激活,创制遗传材料,并对基因的功能进行分析。首先对毛果杨PtrANTs转录因子进行同源分析,选取其中的PtrANT-4进行后续研究,对该基因进行克隆并利用荧光定量PCR分析其在各组织中的表达情况;其次在PtrANT-4启动子上设计3条gRNAs,构建CRISPR-dCas9转录激活表达载体,利用原生质体瞬时转化法检测该载体的表达;最后将该表达载体利用农杆菌介导法转化毛果杨,获得PtrANT-4转录激活遗传材料。结果表明:毛果杨中有4个PtrANTs转录因子,选取的PtrANT-4基因CDS序列全长为2 058 bp,编码685个氨基酸,在毛果杨侧生分生组织维管形成层特异表达。基于CRISPR-Act3.0表达系统成功构建的转录激活载体,在毛果杨木质部原生质体中转化后具有激活PtrANT-4表达的作用。获得的遗传转化植株中PtrANT-4基因仅在茎维管形成层中的表达量显著提高,说明PtrANT-4在茎维管形成层发育过程中可能起重要作用。该研究为PtrANT的功能研究奠定了一定研究基础,同时为维管形成层干细胞发育的机制研究提供了重要的遗传材料。

Wnt/β-catenin Signaling Cascades in Cardiovascular Diseases

Cardiovascular diseases are a group of disorders of the heart and blood vessels,primarily including coronary heart disease,stroke,and other diseases.It is the world’s leading cause of death,and its incidence is increasing yearly.Hypertension is a major risk factor for cardiovascular disease.Wnt signaling comprises a series of highly conservative cascading events controlling fundamental biological processes.Wnt signaling pathways include the canonical Wnt pathway(or Wnt/β-catenin pathway),the non canonical planar cell-polarity pathway,and the non-canonical calcium-dependent pathways.Abnormal Wnt signaling promotes cell proliferation and differentiation,cardiac malformations,various malignancies,so drugs targeting Wnt signaling play a great therapeutic potential.Wnt/β-catenin pathway is involved in the occurrence and development of cardiovascular diseases such as atherosclerosis and stroke by regulating cell proliferation,migration,apoptosis,blood-brain barrier permeability,inflammation,oxidative stress,and immune response.Based on the latest research progress,this review summarizes the role of Wnt/β-catenin signaling in cardiovascular diseases,in order to provide new ideas for the prevention and treatment of cardiovascular diseases.

神经退行性疾病的科研基金分析与启示

神经退行性疾病作为全球日益严重的公共卫生挑战,为其科研基金的分配提供科学依据对于推动相关领域的研究具有重要意义。本文基于基金项目数据揭示了领域内的资助强度趋势、重要受资助机构及其优势学科,并通过对主题词趋势因子的计算,有效识别出神经退行性疾病领域各研究主题的发展潜力和资助力度。研究发现,神经退行性疾病的资助金额于2019年后呈下降趋势,且降幅明显,但肌萎缩侧索硬化(ALS)方向的资助金额有明显的上升趋势;从区域角度分析,美国的科研资助最多,其他国家与之差距较大;顶尖机构的重点项目集中在疾病研究(数据)平台的搭建;各方向的前沿主题主要集中在疾病的机制探索、创新疗法及诊断。对此,本文提出四点建议:1)保持神经退行性疾病领域研究的层次性;2)前沿探索类基金可倾向于资助寻找潜在的新靶点或新疗法或早期干预的项目;3)妥善处理临床研究管理和规范;4)建立适应神经退行性疾病攻关的体制机制。

尼拉帕利治疗儿童复发性PFA型室管膜瘤疗效分析

目的探讨靶向药物聚ADP核糖聚合酶(PARP)抑制剂尼拉帕利联合低剂量化疗药物(顺铂+依托泊苷)治疗儿童复发性PFA型室管膜瘤的有效性和安全性。方法纳入2022年1月至2024年1月复旦大学附属儿科医院收治的12例儿童复发性PFA型室管膜瘤患者,均接受尼拉帕利联合低剂量化疗药物顺铂和依托泊苷的治疗方案,统计肿瘤客观缓解率以评估疗效;记录患儿耐受性和安全性指标如肝肾功能、心功能、恶心呕吐、疲劳、骨髓抑制、胃肠道反应、感染等不良反应。结果共12例患儿中10例肿瘤体积缩小均≥30%,其中2例肿瘤体积缩小100%;1例肿瘤体积无变化;1例肿瘤体积增大20%,总客观缓解率为10/12。不良反应包括5例出现恶心呕吐,主要发生在药物化疗期间;8例出现不同程度骨髓抑制,均经对症治疗后症状缓解。结论尼拉帕利联合低剂量化疗药物在儿童复发性PFA型室管膜瘤的治疗中具有较好疗效,安全性可控。

培养皿中的人脑“阿凡达”:脑类器官

脑科学是生命科学研究的前沿领域之一,对于理解人类大脑、干预脑疾病和开发人工智能等方面起着至关重要的作用。在过去,科学家们主要依靠模式动物和二维细胞培养等模型来研究大脑近年来,脑类器官的出现为我们探索人脑的奥秘提供了全新机遇。脑类器官的技术建立得益于发育生物学理论的积累和干细胞技术的发展。早在20世纪初,研究人员就开始进行细胞解离与重聚的实验。

渗透汽化原位分离耦合拜氏梭菌丁醇发酵的研究

以筛选得到的聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)-聚偏氟乙烯(polyvinylidene fluoride,PVDF)复合膜为分离用膜,开展了拜氏梭菌(Clostridium beijerinckii)ZL01丁醇发酵与渗透汽化原位分离耦合的研究,结果表明:分批发酵-渗透汽化原位分离耦合与分批发酵相比,初始葡萄糖质量浓度从50 g/L提高至90 g/L;在90 g/L的初始葡萄糖质量浓度下,发酵结束时发酵液和渗透液中的丁醇总产量从13.2 g/L提高到16.9 g/L,总溶剂(丙酮(acetone)、丁醇(butanol)、乙醇(ethanol),简称ABE)产量从17.8 g/L提高到24.3 g/L,葡萄糖利用率从59.4%提高到95.7%。另外,分离过程中膜的总渗透通量平均为705 g/(m2·h),丁醇分离因子平均为19.0;经渗透汽化分离,渗透液可直接进入下一步蒸馏阶段,其中丁醇和总溶剂ABE质量浓度分别为178 g/L和292 g/L,与分批发酵工艺中发酵液直接进入蒸馏塔相比,丁醇和总溶剂ABE质量浓度分别提高了10.9倍和14.1倍,可大大降低蒸馏能耗。

响应面法优化粘质沙雷氏菌的发酵工艺

为提高注射用神灵杆菌脂多糖收率和质量,对产生菌粘质沙雷氏菌进行发酵条件优化。在原有培养基基础上,以菌体生物量和发酵液OD值为检测指标,通过单因素试验和响应面法相结合科学系统地对神灵杆菌发酵条件进行研究。结果表明:最合适发酵条件为装液量50 mL、接种量4%、温度30℃、时间32 h、pH 7.2、摇床转速180 r/min。

迈向精确医疗的重要举措:真实世界证据

"真实世界证据"是当前国际上提出的一个新概念,指来自传统临床试验以外的其他类型的医疗保健信息。真实世界证据与临床试验证据的根本区别在于获取数据的场境不一样:前者源于实际医疗场地或家庭社区等真实场境,而后者则来自严格受控的科研场境。真实世界证据被定为传统临床试验证据之外的补充证据,主要用于药品和医疗器械的审批决策。由于真实世界证据来自多种临床实践和个人健康管理方面的数据之整合,能够反映真实的临床实践情况,因此它具有与精确医疗相一致的特征:整合性,个性化,真实性。

精确医学的主要特征

"Precision Medicine"代表了从抗击疾病转变为维护健康的未来医学发展方向,具有如下四个特征:首先是全局观,要提取个体的各种信息并进行综合分析,从而对个体形成一个精确的全局性判断。基于这种特征,"Precision Medicine"应该翻译为"精确医学"而非"精准医学"。其次是整合型研究策略,在对个体的研究中,要实行多组学研究技术、表型分析技术和其他研究技术的整合。第三个特征是以个体为中心的研究模式,即注重研究单一个体在时间过程中的动态变化。第四个特征最为重要,"关口前移",即把研究重点放在研究个体的健康状态以及从健康到疾病的转变过程。

不能忽略的精确医学战略目标:构建疾病分类新标准

美国研究者提出"精确医学"之初衷,是要制定疾病分类的新标准。为此,美国研究者在其战略研究报告中提出了相应的路线图,即把对众多个体长期监测的各种生物学的、临床的和行为的大数据完整地收集到一起,在此基础上构建以"个体为中心"的健康医学数据库和信息共享平台;然后利用个体从分子到表型的生理和病理数据来构造疾病知识网络;进而通过疾病知识网络建立疾病分类新标准,最终通过疾病分类新标准来提升防治疾病的能力,实现以维护个体健康为主要目标的精确医学。

基于卷积神经网络的CT图像肺结节检测

为帮助医生降低工作强度,减少诊断错误,提升准确率,提出一种基于三维卷积神经网络的肺结节检测算法。根据肺结节在CT图像中的特点,设计改进的三维候选区域推荐网络进行结节初始检测。在此基础上,使用多尺度、多网络融合的分类网络去除初检结果中的假阳性。在LUNA16数据集上验证了所提算法的准确性和有效性,并将结果与其它算法进行比较,讨论了该肺结节检测算法的性能。

2型糖尿病易感候选基因在世界不同人群中的多样性比较分析

近10年来兴起的全基因组关联分析(Genome-wide association study,GWAS)相关研究结果获得了大量与2型糖尿病相关的候选易感基因,了解这些候选基因在正常人群中的遗传多样性程度以及在不同人群间的遗传差异,不但有助于阐明2型糖尿病的遗传机理,而且对于今后在特定人群中进行2型糖尿病发病机制的深入研究具有指导意义。本研究通过对GWAS数据库和相关文献的搜索和整理确定了170个与2型糖尿病相关的基因或基因区域;随后基于千人基因组计划的全基因组测序数据对这些候选基因在世界范围内14个人群间的遗传多样性进行了比较分析;进一步确定了在人群间存在显著差异的易感基因,并分析了这些基因的多样性特征。在所研究的14个世界人群中,2型糖尿病候选易感基因的遗传多样性与基因组范围的平均水平没有显著差异;但其中8个易感基因IL20RA、RNMTL1-NXN、NOTCH2、ADRA2A-BTBD7P2、TBC1D4、RBM38-HMGB1P1、UBE2E2和PPARD在群体间呈现显著差异,其中最明显的是IL20RA基因(FST=0.152),该易感基因在非洲人群和非非洲人群间存在显著等位基因频率和单倍型频率差异。14个人群中易感基因遗传结构差异的主要原因是由于非洲人群与非非洲人群之间的群体遗传结构的不同所造成的。进一步比较东西方人群间的2型糖尿病候选基因遗传结构差异,发现在东西方人群中同样存在明显的群体遗传结构差别,其中DGKB-AGMO(FST=0.173)和JAZF1(FST=0.182)是差异最显著的易感基因。本研究通过对群体间2型糖尿病易感基因遗传结构进行比较,鉴别出一些差异特别显著的易感基因,对今后2型糖尿病易感基因与不同人群间发病率和易感性差异的相关研究提供重要参考。

基质Gla蛋白在大鼠附睾发育过程中的表达及定位

目的明确基质Gla蛋白(matrix Gla protein,MGP)在大鼠附睾发育过程中的表达特征。方法采用实时定量PCR和免疫荧光染色方法,对MGP在大鼠附睾不同发育阶段的表达及定位进行检测。结果实时定量PCR结果显示,MGP mRNA在6d、10d、3w、5w、7w、8w、10w和12w的大鼠附睾中均有表达,其表达量在3w达到最高峰,3w至8w表达量逐渐降低,成年大鼠(10～12w)MGP的表达量逐渐升高并稳定在较高水平。免疫荧光染色显示MGP在10d、3w的大鼠附睾各个节段均有表达,在7w、12w的表达主要集中于大鼠附睾体部和尾部,且MGP定位于附睾上皮主细胞和亮细胞。结论MGP在大鼠附睾发育的关键分化期高表达,成年后主要定位于附睾体部和尾部的主、亮细胞,可能对附睾的形态发育和管腔钙稳态的维持起重要作用。

钙离子和镁离子浓度变化对磷脂酰乙醇胺-磷脂酰甘油双分子层膜的影响（英文）

钙离子和镁离子是生物细胞中重要的二价阳离子,对生物膜结构保持和功能行使发挥重要作用。但至今,对两种阳离子在不同浓度下与大肠杆菌内膜相互作用的认识仍存在局限。本文采用动态光散射(DLS)、zeta电势实验、全原子分子动力学模拟(AA-MD),定量研究了不同浓度的钙离子和镁离子对混合磷脂双分子层膜(1-棕榈酰基-2-油酰基-sn-丙三基-3-磷酸乙醇胺(POPE):1-棕榈酰基-2-油酰基-sn-丙三基-3-磷酸甘油(POPG)的摩尔比为3:1)模拟的大肠杆菌内膜的影响。DLS结果表明,在0和1 mmol·L-1钙离子或镁离子溶液中,POPE/POPG脂质体为均匀的单分散体系。当两种离子浓度分别提高到5–100 mmol·L-1范围时,单室脂质体间发生脂分子聚集或脂质体融合事件。Zeta电势数据表明,钙离子或镁离子对电负性的POPE/POPG脂质体均有电荷反转效果。AA-MD模拟计算结果表明,当模拟时间超过100 ns时,各浓度的钙离子稳定地吸附在磷脂双分子层膜上,而镁离子动态地吸附/解吸附于磷脂膜,这些结果与DLS和zeta电势实验基本吻合。同时,通过计算径向分布函数,分析了0、5、100 mmol·L-1浓度溶液中POPE和POPG的磷酸、羰基和羟基基团氧原子的第一配位壳层中的钙离子或镁离子的平均配位数目,结果表明两种离子主要结合在POPE和POPG电负性的磷酸基团上,因此可以解释DLS实验中钙离子或镁离子对POPE/POPG脂质体的电荷反转现象。另外,随着离子浓度的增高,钙离子减小了磷脂双分子层膜的单个磷脂面积,同时使膜的厚度增大,而镁离子对膜的两种参数影响较小。同时,相同浓度条件下两种离子对膜中磷脂分子的取向影响不同。这些模拟结果可在原子水平上解释DLS和zeta电势实验中钙离子和镁离子对POPE/POPG脂质体的不同影响。本文的实验和分子动力学模拟结果可以解释一些与二价阳离子调控相关的生物学过程,例如,膜融合。