合成生物学在探索生物图案形成基本原理中的应用与展望

自然界中不同生物图案形成的背后是否存在普遍规律,是生物学最基本的科学问题之一。然而,生物系统的复杂性给归纳、理解和验证潜在的普遍规律带来了极大挑战。合成生物学采用自下而上的工程策略,利用功能明确的基因元件构建定量可控的合成体系,为解析生物图案形成的基本原理带来了新的契机。本文围绕合成生物学在生物图案形成研究中的应用,重点阐述了利用合成生物系统验证成形素浓度梯度模型和反应-扩散模型等现有生物图案形成理论的研究进展,并总结了合成生物学在探索生物图案尺寸调控、周期性生物图案形成和多细胞结构产生新机制中的重要贡献。最后提出对合成系统的研究与发育生物学的进一步交互有望拓展对自然生物图案形成的认知,并指出合成生物图案今后在生物材料制造、再生医学和组织工程等领域的应用价值和前景。

敲减SMARCA4通过抑制胆固醇合成导致HT1080细胞铁死亡

目的:探讨SMARCA4(SWI/SNF-related,matrix-associated,actin-dependent regulator of chromatin,subfamily A,member 4)在铁死亡中的作用和分子机制。方法:(1)培养人纤维肉瘤细胞系HT1080,设置对照[二甲基亚砜(dimethyl sulfoxide,DMSO)]组和不同浓度(31.25、62.5和125 nmol/L)Ras选择性致死小分子3(Ras-selec‐tive lethal small molecule 3,RSL3;铁死亡诱导剂)处理组,每组3个复孔;利用Western blot检测细胞中SMARCA4蛋白水平。(2)利用2条小干扰RNA敲减HT1080细胞的SMARCA4基因,并将细胞分为阴性对照组和SMARCA4基因敲减(siSMARCA4-1和siSMARCA4-2)组,每组3个复孔;利用Western blot检测3组细胞中SMARCA4蛋白水平;利用高内涵细胞成像分析系统检测DMSO、坏死抑素2外消旋体(necrostatin 2 racemate,Nec-1s;坏死性凋亡抑制剂)、N-苯甲基氧化碳酰-缬氨酸-丙氨酸-天冬氨酸-氯化丙酮[Z-VAD(OMe)-FMK,Z-VAD;广谱caspase抑制剂/凋亡阻断剂]和铁抑素1(ferrostatin-1,Fer-1;铁死亡抑制剂)处理后3组细胞的存活率;利用RT-qPCR和流式细胞术检测3组细胞的铁死亡指标:前列腺素内过氧化物合成酶2(prostaglandin-endoperoxide synthase 2,PTGS2)基因转录、脂质过氧化、总活性氧(reactive oxygen species,ROS)、不稳定铁池(labile iron pool,LIP)和谷胱甘肽;利用RT-qPCR检测3组细胞中铁代谢基因、调控铁死亡的ROS调节基因和胆固醇合成关键基因的转录水平;利用高内涵细胞成像分析系统检测胆固醇处理后3组细胞的存活率。(3)对已发表的在线数据进行共同差异基因分析和基因本体论(gene on‐tology,GO)富集分析。结果:(1)RSL3处理降低SMARCA4蛋白水平(P<0.05)。(2)敲减SMARCA4导致细胞铁死亡。(3)敲减SMARCA4不通过影响LIP或调控铁死亡的ROS调节基因的转录水平而导致铁死亡。(4)敲减SMARCA4影响细胞膜、脂筏相关通路和胆固醇合成;(5)补充胆固醇可以挽救敲减SMARCA4导致的铁死亡(P<0.01)。结论:铁死亡诱导剂RSL3处理降低人纤维肉瘤HT1080细胞中的SMARCA4蛋白水平,且敲减SMARCA4通过抑制胆固醇合成导致HT1080细胞铁死亡。

沉默Kif5b赋予MDCK细胞干性

目的观察沉默Kif5b对上皮细胞MDCK的影响并探讨Kif5b表达水平与细胞分化程度的相关性。方法设计构建靶向Kif5b基因的短发卡RNA(shRNA)质粒载体,并转染犬肾上皮细胞株MDCK,检测其对Kif5b表达的抑制作用;采用Western blot法检测E-钙黏蛋白(E-cadherin),N-钙黏蛋白(N-cadherin),波形蛋白(vimentin)在各组细胞中的表达差异;通过细胞诱导液培养检测细胞分化为脂肪细胞和成骨细胞的能力。结果从形态上看,对照组MDCK细胞间紧密相连,呈鹅卵石状分布,而Kif5b沉默的细胞呈成纤维细胞状;与对照组相比,转染Kif5b-shRNA显著抑制Kif5b的表达,同时E-cadherin的表达下降,N-cadherin和vimentin的表达上升,细胞抵抗胰蛋白酶消化的能力降低;沉默Kif5b的MDCK细胞能被分化为脂肪细胞和成骨细胞;此外,Kif5b在MDCK中的表达量显著高于小鼠间充质干细胞(mesenchymal stem cell)。结论在MDCK细胞中沉默Kif5b诱导MDCK细胞经历上皮细胞-间充质转化(epithelial-mesenchymal transition)过程,去分化为间充质干细胞样细胞,去分化的细胞能够被转分化为特化的脂肪细胞和成骨细胞。Kif5b的表达量与细胞的分化程度呈正相关。

利用细菌治疗肿瘤的研究进展

目前用于治疗癌症的方法大多副作用大,且药物不能有效到达癌组织内部,治疗效果相当有限。细菌虽种类繁多,可利用性强,但其由于自身的生物性能不可控以及安全性等问题,在肿瘤治疗方面受限。随着合成生物学的发展,可通过合成生物学的方法对细菌进行工程性改造,使之毒性减弱,靶向定位肿瘤,特异性感知病灶,精准定位于病灶。利用工程菌作为载体搭载药物,或者对细菌进行基因修饰来表达目的药物分子,释放治疗药物,将大大提高细菌治疗肿瘤的可利用性,并提升治疗效果。该文主要总结了近年来利用工程细菌治疗肿瘤的研究进展。

工程菌在肿瘤治疗方面的应用进展

肿瘤的细菌治疗最早可以追溯到19世纪,人们第一次利用链球菌(Streptococcus pyogenes)成功治疗了患有无法手术切除的肉瘤患者。此后,细菌在肿瘤治疗上的研究越来越多,并取得了令人期待的结果。与其他肿瘤治疗方法相比,细菌治疗肿瘤具有许多独特的优点。随着合成生物学的发展,人们对细菌进行改造后大大增强了其在肿瘤治疗中的运用。本文介绍了细菌改造策略和应用进展,特别是鼠伤寒沙门氏菌治疗肿瘤的研究。在动物模型中,工程菌可以选择性定植到肿瘤组织中并抑制肿瘤的生长。此外,介绍了工程菌治疗肿瘤的新策略——表达抗肿瘤分子来提高肿瘤治疗的效果。最后,讨论了工程菌治疗肿瘤运用于临床还有一些需要解决的问题,如何平衡细菌毒力和抗肿瘤能力是一个关键点,需要设计更精巧的基因线路来对细菌进行改造。在减弱细菌毒力的同时,还要增强细菌靶向到肿瘤组织的能力,以减少对其他正常组织的影响。细菌的遗传不稳定性也是一个潜在的问题,因为突变可能会产生无效或有害的表型。但是,随着合成生物学的发展,在不久的将来,上述问题将会得到解决,细菌治疗将会是一种具有巨大潜力的肿瘤治疗的方法。

用于高分辨率成像的肺器官芯片构建及肺炎模型应用研究

肺是人体呼吸系统的重要组成部分,气道上皮是肺与外界接触的第一道屏障,参与抵御外来的颗粒物、病原体等,可将异物以痰的形式排出体外,对维护呼吸道正常功能起到至关重要的作用。常用的体外细胞培养模型和哺乳动物模型尚不能完全模拟人体肺-气道微环境,在人体细胞与病原体相互作用研究和药物研发应用方面具有一定的局限性。该研究设计制作了一种基于微流控技术的双通道肺器官芯片,通过改进制备工艺使其能够满足高倍镜极短工作距离的要求,用于高分辨率成像;实现了模拟人体肺-气道微环境的气液界面气道上皮培养,并且能够实时观察细胞与细菌的共培养过程,为体外研究气道上皮和病原微生物的相互作用提供一个有力平台。

合成微生物群落的构建与应用

自然界中微生物群落的生态网络结构非常复杂,并且难以进行可重复、可控的扰动实验.在实验室里通过“自下而上”的方式构建起来的合成群落具有适中的复杂度和较高的可控性,可以作为数学模型和复杂生态系统研究之间的桥梁.合成微生物群落的研究方法遵循“设计-构建-测试-学习”为核心的合成生物学理念,以人工设计和构建的群落为实验对象,结合定量模型和基因组测序等组学技术,探索微生物生态学的基本规律.在应用方面,基于合成群落的研究对于如何控制和改造复杂的微生物生态系统具有重要的指导意义,目标是通过构建具有可控功能和稳定性的微生物群落来解决人体健康、农业和工业生产、环境治理等重要问题.

生理学教育国际化前瞻:趋势和展望

伴随教学法的变革和世界各地生理学家的共同努力,生理学教育自二十世纪以来在全球得到多元化发展。在国际及地区层面,生理学组织和机构持续通过学术大会、教育专题讨论会、教学讲习班、交流计划和出版相关期刊文章等不断地为生理学教育作出贡献。近年来互联网和信息技术的突破发展,对于促进和改善运用计算机辅助教学于生理学教育上起着关键作用。同样,互动式教学和问题导向的学习模式亦已成为全球普遍应用的教与学策略,以增强学习动机,提高学习果效。本文回顾生理学教学法的全球发展和实施,并展望未来生理学教育的新趋势。

间充质干细胞治疗中枢神经系统疾病的研究进展

中枢神经系统疾病如脑卒中、创伤性脑损伤(TBI)、脑白质疾病(WMD)等,主要牵涉神经细胞凋亡导致的功能丧失,缺乏有效治疗手段。间充质干细胞(MSC)是一种异质性干细胞群,具有较强的组织修复和免疫调节潜能,来源多并被认为免疫原性较低。通过移植MSC治疗上述中枢神经系统疾病的临床前研究,大多取得了较好的安全性和有效性结果,且基于MSC移植的临床试验也接连展开,而MSC的鉴别、最佳移植路径、治疗的长期疗效和安全性,以及免疫原性等问题依然存在争论。主要从有效性和安全性两方面探讨MSC在治疗脑卒中、TBI、WMD方面的研究进展。