Nature ｜ 修正教科书中的经典细胞周期的调控模型
受精卵激活自身基因组是个体生命中的第一次转录事件，称为合子基因组激活（zygotic genome activation，ZGA）。刚受精的胚胎存在全基因组沉默的现象，之后子代逐渐脱离对母源因子的依赖，并在特定的发育时间点激活基因组来启动胚胎发育程序。2008年，科学家发现ZELDA是果蝇合子基因组关键启动因子。2013年研究人员发现NANOG,SOXB1和POU5F1是斑马鱼中关键转录因子。然而，哺乳动物中合子基因组启动关键转录因子长期以来一直不明确。2022年颉伟课题组和陈子江/赵涵课题组报道TPRX是人类胚胎ZGA的重要转录因子（详见BioArt报道：Science丨颉伟、陈子江、赵涵发表人类早期胚胎翻译组图谱揭示TPRX参与人类合子基因组激活）【1】，然而该因子是否在不同物种中保守仍不清楚。
2023年7月17日，清华大学生命科学学院颉伟研究组与宾夕法尼亚大学Richard M. Schultz课题组合作，在Nature期刊以长文形式发表了文章OBOX regulates murine zygotic genome activation and early development（OBOX调控小鼠合子基因组激活以及早期胚胎发育）。该研究发现OBOX家族是调控小鼠合子基因组激活的关键转录因子，为哺乳动物合子基因组领域研究提供了新的研究方向，是该领域里的重要突破。
通过颉伟实验室前期开发的超灵敏早期胚胎翻译组学数据（详见BioArt报道：Nat Cell Biol | 颉伟/李磊组发表哺乳动物卵子以及早期胚胎翻译组研究）【2】与开放染色质组学数据（详见BioArt报道：清华颉伟组在《自然》长文报道哺乳动物着床前胚胎染色质动态调控图谱）【3】的联合分析，研究者发现人类TPRX家族在小鼠中的功能同源家族OBOX家族在卵母细胞、一细胞和二细胞胚胎中表达非常丰富，同时OBOX的结合序列（motif）在小鼠胚胎ZGA时期的开放染色质中高度富集，提示OBOX可能对小鼠ZGA具有重要功能。有趣的是，OBOX是有一个具有66个家族成员/拷贝的庞大家族。这个家族和TPRX都来源于同一个祖先基因CRX，但在小鼠和人中平行演化【4-6】。通过构建Obox敲除小鼠，研究者发现OBOX母源-合子纯和敲除（mzKO）无法产生后代，胚胎阻滞在二到四细胞阶段。进一步研究发现OBOX mzKO胚胎ZGA无法正常发生，在敲除胚胎中回补Obox能够挽救ZGA和胚胎发育，证明OBOX是调控小鼠ZGA的必要转录因子。此外，在小鼠胚胎干细胞中过表达OBOX能够激活部分小鼠ZGA基因，证明OBOX是这些基因表达的充分条件。
图1. Obox家族敲除导致胚胎2-4细胞阻滞和合子基因组无法正常启动。该研究进一步探索了OBOX是如何调控小鼠ZGA的。利用颉伟实验室开发的检测蛋白-DNA相互作用的超灵敏测序技术STACC-seq（详见BioArt报道：Nature | 颉伟组发表哺乳动物合子基因组激活过程中RNA聚合酶参与转录起始的调控机理）【7】，研究者发现OBOX比RNA聚合酶II更早定位在ZGA基因启动子或增强子上。同时RNA聚合酶II的“预配置”（pre-configuration）在OBOX mzKO胚胎中无法正常进行，导致ZGA基因无法被正常激活。同时，部分基因被异常激活，提示OBOX在ZGA时期能够帮助RNA聚合酶II结合到正确靶基因上，保证ZGA正常进行。
图2. OBOX帮助RNA聚合酶II结合到正确靶基因上，保证ZGA正常进行。综上所述，通过分析小鼠早期胚胎翻译组数据与开放染色质图谱，结合遗传学手段和一系列微量染色质检测技术，颉伟实验室和Richard M. Schultz实验室首次发现OBOX家族是调控小鼠合子基因组激活的核心因子，为哺乳动物ZGA领域研究打开新的大门。
清华大学颉伟教授与宾夕法尼亚大学Richard M. Schultz教授为本文的通讯作者，清华大学生命科学联合中心博士后嵇姝妍、陈凤玲，美国NIH再生与发育生物学实验室研究员Paula Stein，清华大学生命科学联合中心博士研究生王嘉程、周子茗以及颉伟实验室科研助理王利娟为共同第一作者。颉伟实验室赵晴(前科研秘书)和林自力（前博士后，现为北京农学院副教授）为共同第二作者。美国NIH再生与发育生物学实验室资深研究员Carmen J. Williams为本研究提供了重要帮助。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06428-3参考文献1.Zou, Z., Zhang, C., Wang, Q., Hou, Z., Xiong, Z., Kong, F., Wang, Q., Song, J., Liu, B., Liu, B., et al. (2022). Translatome and transcriptome co-profiling reveals a role of TPRXs in human zygotic genome activation. Science, eabo7923.
2.Xiong, Z., Xu, K., Lin, Z., Kong, F., Wang, Q., Quan, Y., Sha, Q.Q., Li, F., Zou, Z., Liu, L., et al. (2022). Ultrasensitive Ribo-seq reveals translational landscapes during mammalian oocyte-to-embryo transition and pre-implantation development. Nat Cell Biol 24, 968-980.
3.Wu, J., Huang, B., Chen, H., Yin, Q., Liu, Y., Xiang, Y., Zhang, B., Liu, B., Wang, Q., Xia, W., et al. (2016). The landscape of accessible chromatin in mammalian preimplantation embryos. Nature 534, 652-657.
4.Maeso, I., Dunwell, T.L., Wyatt, C.D., Marletaz, F., Veto, B., Bernal, J.A., Quah, S., Irimia, M., and Holland, P.W. (2016). Evolutionary origin and functional divergence of totipotent cell homeobox genes in eutherian mammals. BMC Biol 14, 45.
5.Wilming, L.G., Boychenko, V., and Harrow, J.L. (2015). Comprehensive comparative homeobox gene annotation in human and mouse. Database (Oxford) 2015.
6.Zhong, Y.F., and Holland, P.W. (2011). The dynamics of vertebrate homeobox gene evolution: gain and loss of genes in mouse and human lineages. BMC evolutionary biology 11, 169.
7.Liu, B., Xu, Q., Wang, Q., Feng, S., Lai, F., Wang, P., Zheng, F., Xiang, Y., Wu, J., Nie, J., et al. (2020). The landscape of RNA Pol II binding reveals a stepwise transition during ZGA. Nature 587, 139-144.
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全球人口老龄化日益严重，衰老相关疾病发病率明显上升。如何科学应对老龄化带来的挑战已成为全球议题。衰老是机体伴随增龄的功能衰退过程，是人类慢性疾病发生的最大风险因素。衰老生物标志物是反映机体、器官、组织、细胞及亚细胞层面衰老相关结构或功能退变的生理及分子指标，可用于监测和评估衰老伴随的生物学变化并预测器官从衰老向病变的演化程度，对于老龄化研究具有重要意义。
2023年7月19日，中国衰老标志物研究联合体（Aging Biomarker Consortium, ABC）应邀在Nature Medicine发表题为“The Aging Biomarker Consortium represents a new era for aging research in China”的通讯文章（Correspondence），对中国衰老标志物研究联合体的愿景和使命进行了全面阐述，文章指出联合体旨在为建立指征衰老程度的标志物体系和人类生物学年龄的评估标准提供中国研究范式，以期推动人类衰老评估和预警相关研究领域的蓬勃发展，助力制定和推广“健康老龄化”的科学方案。
全球老年人口数量正在以前所未有的速度增长。预计到2050年，65岁以上的人口将达到16亿。衰老是多种慢性疾病发生和发展的重大风险因素，老年慢病发病率的增加给全球社会经济带来了巨大的负担与挑战。为了应对这些挑战，我们需要实现对机体生理病理状态转变的科学监测，而这依赖于对衰老生物标志物更为全面的了解。这也是我们回答如下增龄相关基本科学问题的关键所在，包括：如何衡量生物学年龄，如何发现加速衰老及相关疾病的驱动因素，如何制定有效的衰老干预策略。为了应对上述需求，我们成立了中国衰老标志物研究联合体（ABC）。
图一：中国衰老标志物研究联合体（ABC）的研究路线图“衰老生物标志物”是指衰老过程中可被科学测量的生理参数，这些参数在细胞、器官和机体层面表现出与增龄相关的变化，因此可用于评估和预测机体向衰老乃至病理状态的转变。生物标志物主要分为六类：生理特征、影像特征、组织学特征、细胞水平变化、分子水平改变和分泌因子。这六类生物标志物为界定组织、器官和个体衰老提供了模式化的研究框架，并为深入揭示衰老的细胞和分子调控机理提供了关键基础。其中，部分衰老生物标志物也具有"衰老驱动力"的属性，可作为干预衰老的潜在靶标。
为了实现对人群生物学年龄的科学测量，ABC提出了衰老生物标志物的三个基本特征：特异性（能反映衰老程度和速度）、系统性（可反映特定组织系统或整个机体的变化）和实用性（可应用于临床实践）。ABC进一步明确了衰老标志物应主要来源于行为、影像和体液数据，因为这些维度的标志物可通过无创或微创的方式在人群中测量且能够被量化。
通过成员之间的合作，ABC将构建衰老生物标志物系统的知识库并制定其测量标准，以期为衰老研究和临床转化做出贡献。ABC旨在解决老龄化研究中的以下关键问题：如何在基于人群的研究中构建可靠且有效的衰老标志物系统，如何利用衰老生物标志物阐释衰老的基本原理，如何基于衰老标志物构建机体衰老的风险预警模型，如何利用衰老生物标志物评估衰老干预的临床效果，以及如何利用衰老生物标志物评估社会经济因素对个体衰老的影响并避免潜在的伦理问题。
值得注意的是，目前临床上广泛应用的“体检指标参考值”是没有考虑增龄因素的“泛化”标准，因此无法精确反映不同年龄阶段个体的健康状况。衰老是身体机能下降的主要风险因素，故需要探索能够反映年龄因素的标志物来评估个体的生物学年龄。为了解决该问题，ABC正在整合多组学数据，包括（单细胞）转录组、蛋白质组、表观遗传学、代谢组、微生物组以及表型组的数据资源，并借助人工智能（Artificial Intelligence）手段构建机体衰老指数（Aging Index）（即AI2）。ABC将在自然衰老人群、百岁老人以及加速衰老人群中全面分析和筛选衰老生物标志物并建立相应的衰老时钟。结合前沿交叉技术，ABC期待构建能更好捕获并反映机体生理状态的衰老生物标志物集合。通过长期共同努力，ABC致力于建立人类生物学年龄精准评估的中国方案，并为日后与全球其他衰老标志物研究联合体（例如美国国家衰老研究院以及欧洲MARK-AGE组织）之间的合作奠定基础。
在成员的共同努力下，ABC已经开展了为实现以上愿景和使命的实际行动。例如，围绕脑衰老，ABC组织联合体组织专家研讨并发布了脑衰老评估的专家共识和初步标准。其推荐的脑衰老生物标志物主要包括：行为与功能标志物、影像标志物和体液标志物，为建立人群队列、开展脑衰老评估和科学度量提供了重要依据。同时，ABC正在制定一系列其他器官（如心脏、血管、肝脏和骨骼等）的衰老生物标志物共识。在这些共识的基础上，ABC还将聚焦特定组织器官的衰老及系统衰老，推动相应的人群队列研究，以期更好地衡量和理解人类衰老并为衰老相关疾病制定有效的诊治方案。
随着衰老研究领域的发展，医学、哲学、伦理以及社会经济等方面的担忧也随之而来，涉及动物福利、个人隐私和临床志愿者的权益保护等。ABC将以负责任的态度搭建平衡、包容、适合应对衰老研究挑战的管理流程，搭建衰老研究和转化的伦理框架。遵循这一框架将有助于促进衰老研究群体负责任的创新和自律，在推动衰老研究的同时，确保参与者的权利和利益得到保护。
世界各国的研究人员已经在应对气候变化和传染病方面达成了多项合作，现在我们需要联起手来，共同应对全球人口老龄化。怀揣我国古代哲学家孟子所阐述的“老吾老以及人之老”（We must honor all of our elderly with the same care that we give to our own parents）的价值观和愿景，ABC由联合体成员自愿发起建立，其定位是一个非营利性的科学研究合作联盟。ABC将推动来自学术、临床和产业界的衰老和老年病研究的专业人士开展跨学科合作，并真诚邀请具有先进技术和其他资源的实体开展合作。ABC将携手打造一个全面开放、立足国内同时放眼全球的平台，促进衰老研究领域内共识、共享和共行。
图二：中国衰老标志物研究联合体（ABC）的价值观和愿景通过广泛的国内外交流合作，ABC期待在未来衰老的基础研究和临床转化中发挥重要的支撑作用，如制定衰老生物标志物研究的指南和标准、举办多边衰老研究会议、推动规划国际衰老研究重大科学计划等。ABC希望建立健康合作、互联互通、绿色发展、开放多元、包容共享的伙伴关系，促进人类衰老生物学和医学的发展，延长人类健康寿命，助力构建人类健康命运共同体。
附作者列表：刘光慧（中国科学院动物研究所），裴钢（同济大学），邹卫国（中国科学院上海生物化学与细胞生物研究所），朱大海（广州国家实验室），周中军（香港大学），赵玉政（华东理工大学），赵同标（中国科学院动物研究所），张灼华（中南大学湘雅医院），张云武（厦门大学医学院），张勇（广州国家实验室），张新超（北京医院/国家卫健委北京老年医学研究所），张亮（中国科学院上海营养与健康研究所），张宏波（中山大学），张存泰（华中科技大学同济医学院附属同济医院），岳锐（同济大学），余巍（复旦大学），叶静（上海交通大学瑞金医院），杨泽（北京医院/国家卫健委北京老年医学研究所），许代超（中国科学院上海有机化学研究所），熊伟（中国科学技术大学），谢正伟（北京大学），肖智雄（四川大学），肖意传（中国科学院上海营养与健康研究所），项鹏（中山大学），黄超兰（中国医学科学院），王韫芳（清华大学长庚医院），王延江（第三军医大学大坪医院），王小宁（中国人民解放军总医院），王霞（清华大学），王文恭（北京大学），王思（首都医科大学宣武医院），王树森（南开大学），王建伟（清华大学），田烨（中国科学院遗传与发育生物学研究所），田小利（南昌大学），田梅（复旦大学），孙宇（中国科学院上海营养与健康研究所），孙毅（同济大学），孙亮（北京医院/国家卫健委北京老年医学研究所），松阳洲（中山大学），宋伟宏（温州医科大学），任瑞宝（上海交通大学瑞金医院），曲静（中国科学院动物研究所），彭耀进（中国科学院动物研究所），聂静（南方医科大学南方医院），毛志勇（同济大学），马欣然（华东师范大学），马帅（中国科学院动物研究所），罗湘杭（中南大学湘雅医院），刘勇（武汉大学），刘兴国（中国科学院广州生物医药与健康研究院），刘强（天津医科大学），刘强（中国科学技术大学），刘林（南开大学），刘俊平（杭州师范大学），刘峰（中南大学），刘宝华（深圳大学），李鑫（中国科学院动物研究所），李静宜（北京干细胞与再生医学研究院），黎健（北京医院/国家卫健委北京老年医学研究所），李吉（中南大学湘雅医院），孔庆鹏（中国科学院昆明动物研究所），鞠振宇（暨南大学），黄恺（华中科技大学同济医学院附属协和医院），何琪杨（中国医学科学院），韩敬东（北京大学），高绍荣（同济大学），高峰（第四军医大学），丁秋蓉（中国科学院上海营养与健康研究所），丁楅森（四川大学），慈维敏（中国科学院北京基因组研究所），陈晓春（福建医科大学），陈军（北京大学），陈厚早（中国医学科学院基础医学研究所），陈国兵（暨南大学），陈畅（中国科学院生物物理研究所），陈彪（首都医科大学宣武医院），曹中炜（四川大学），曹丰（中国人民解放军总医院），蔡剑平（北京医院/国家卫健委北京老年医学研究所），张维绮（中国科学院北京基因组研究所），宋默识（中国科学院动物研究所），任捷（中国科学院北京基因组研究所）。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41591-023-02444-y
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撰文丨存中一贯
慢性肝脏疾病每年在全世界造成约2000,000人死亡，其中肝硬化是20个严重影响伤残调整寿命年（disability-adjusted life years）的疾病之一【1】。目前，对于肝硬化的治疗，除了器官移植之外，没有其他可行的治疗方案。但器官移植不仅需要大量手术，还必须进行终身免疫抑制治疗。然而，即使如此，仅有50%的病人能够获得肝脏供体，每年有超过13,000个肝脏供体缺口【2】。因此，肝硬化以及刺激干细胞再生的替代疗法显得尤为重要，且获得了众多科研人员的关注和研究，这些替代疗法中，纳米治疗以及细胞治疗方法有着重要的地位和作用【3】。
巨噬细胞是肝脏疾病的关键调控因素，涉及到肝脏疾病的所有方面，从肝脏损伤，到慢性炎症、纤维化和组织修复【4】。肝脏驻留巨噬细胞通过对炎症细胞的募集以及肝脏星形细胞（hepatic stellate cells, HSCs）的激活释放信号，促进局部免疫反应并限制初始损伤，并产生支持性细胞外基质（extracellular matrix, ECM）。当伤害减轻时，巨噬细胞通过释放基质金属蛋白酶（Matrix metalloproteinases, MMPs）重塑纤维化【5】。MMPs能够促进ECM的降解，降低炎症反应和诱发肝脏再生。
RNF41是一个E3连接酶，能够介导多种促炎因子受体、接头蛋白或者激酶的降解【6】。RNF41能够抑制促炎细胞因子的分泌，介导巨噬细胞向抗炎M2型的极化，在肌肉损伤修复等与巨噬细胞相关疾病中发挥着重要作用。不过，巨噬细胞中RNF41的表达与肝脏疾病之间的联系还未研究清楚。
2023年7月15日，来自西班牙巴塞罗那大学的Pedro Melgar-Lesmes带领团队在Science Translational Medicine发表了他们最新的研究成果，题目是RNF41 orchestrates macrophage-driven fibrosis resolution and hepatic regeneration，他们发现肝硬化病人巨噬细胞中RNF41表达下降，通过纳米材料在小鼠肝脏巨噬细胞中特异性恢复过表达RNF41能够减轻肝脏纤维化，降低肝损伤，促进肝细胞再生，本研究为肝硬化提供了一个潜在的治疗方案。
研究人员首先从肝硬化以及健康人的肝活检标本中分离了CD11b+的巨噬细胞，通过q-PCR检测发现肝硬化病人巨噬细胞中RNF41表达明显下调。研究人员继续分析了CCl4诱导的慢性肝损伤小鼠模型中，肝脏巨噬细胞的基因表达情况，发现RNF41和USP8（能够促进RNF41蛋白稳定性）的水平同样下调了。不过，肝原代细胞中RNF41和USP8的水平没有发生变化，说明RNF41的表达变化只发生在巨噬细胞中。
研究人员假设RNF41下调是肝硬化中肝脏巨噬细胞促炎表型的驱动因素，为此，恢复巨噬细胞中RNF41的表达水平有可能逆转巨噬细胞的促炎状态，并改善肝硬化表型。于是，研究人员构建了RNF41的条件过表达质粒，RNF41的表达由CD11b启动子控制，并将此质粒融合到石墨纳米粒子（dendrimer-graphite nanoparticles, DGNPs）表面，如图1。体外细胞实验显示，pRNF41-DGNPs能够被巨噬细胞吞噬，并出现在巨噬细胞的细胞核中，且能在巨噬细胞中特异性过表达RNF41。
图1 DGNPs接下来，研究人员对巨噬细胞中恢复过表达RNF41引起的变化进行了深入检测。实验结果显示，肝脏巨噬细胞中RNF41的恢复过表达使肝脏纤维化病变降低了约86%，同时羟脯氨酸含量降低，胶原蛋白I表达下降等，这些现象都表明RNF41过表达减轻了肝脏损伤。另外，RNF41的过表达促进了HSC抑制因子的表达，促进了胶原酶MMP-9的产生以及对胶原蛋白的降解，促进了肝原代细胞的增殖。其中，肝原代细胞的增殖主要是由于IGF-1的表达上调引起的。同样的，RNF41的表达还使巨噬细胞抗炎相关基因表达上调，促炎相关基因表达下调。相反，当DGNPs偶联pshRNF41并在巨噬细胞中表达时，RNF41表达被抑制，小鼠死亡率增加，肝脏纤维化程度加重，说明RNF41在巨噬细胞中发挥的作用与肝脏疾病密切相关。
最后，研究人员还探究了肝脏切除手术后RNF41过表达的影响，发现RNF41过表达能够促进肝原代细胞的再生和增殖，这个作用可能是通过上调IGF-1来实现的。
总之，本研究发现肝硬化病人巨噬细胞中RNF41表达下调是疾病发生的一个关键因素，肝脏巨噬细胞恢复过表达RNF41能够改善肝硬化疾病表型，促进肝脏纤维化等病理表型，促进肝脏原代细胞再生，这显示石墨纳米粒子递送系统联合RNF41过表达有望成为肝硬化的有效治疗方法。
原文链接： https://doi.org/10.1126/scitranslmed.abq6225参考文献1. S. K. Asrani, H. Devarbhavi, J. Eaton, P. S. Kamath, Burden of liver diseases in the world. J. Hepatol. 70, 151–171 (2019).
2. P. Melgar-Lesmes, E. R. Edelman, Monocyte-endothelial cell interactions in the regulation of vascular sprouting and liver regeneration in mouse. J. Hepatol. 63, 917–925 (2015).
3. P. Melgar-Lesmes, M. Balcells, E. R. Edelman, Implantation of healthy matrix-embedded endothelial cells rescues dysfunctional endothelium and ischaemic tissue in liver engraftment. Gut 66, 1297–1305 (2017).
4. S. J. Forbes, N. Rosenthal, Preparing the ground for tissue regeneration: From mechanism to therapy. Nat. Med. 20, 857–869 (2014).
5. P. Ramachandran, A. Pellicoro, M. A. Vernon, L. Boulter, R. L. Aucott, A. Ali, S. N. Hartland, V. K. Snowdon, A. Cappon, T. T. Gordon-Walker, M. J. Williams, D. R. Dunbar, J. R. Manning, N. van Rooijen, J. A. Fallowfield, S. J. Forbes, J. P. Iredale, Differential Ly-6C expression identifies the recruited macrophage phenotype, which orchestrates the regression of murine liver fibrosis. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 109, E3186–E3195 (2012).
6. J.Wauman, L. De Ceuninck, N. Vanderroost, S. Lievens, J. Tavernier, RNF41 (Nrdp1) controls type 1 cytokine receptor degradation and ectodomain shedding. J. Cell Sci. 124, 921–932 (2011).
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Argonaute (Ago)蛋白广泛存在于细菌、古菌和真核生物中，参与调控许多重要的生理过程【1】。其中，最为人所熟知的是在真核生物Ago (eAgo)蛋白，可以结合非编码的小RNA，参与降解或者抑制互补配对的靶向RNA，从而影响基因表达，称之为RNA干扰 (RNAi)【2】。揭示RNA干扰机理的两位美国科学家获得了2006年的诺贝尔生理医学奖。所有的eAgo都具有非常保守的结构功能域，主要由N-结构域（结合与分离靶向链），PAZ结构域（结合引导链的3’末端），MID结构域（结合引导链的5’末端）和PIWI结构域（核酸酶催化中心所在）组成。
细菌Ago（pAgo）蛋白主要分为长pAgo和短pAgo蛋白。其中，研究较多的长pAgo结构域和eAgo结构域非常相似，主要使用RNA或者DNA作为靶向序列参与清除入侵的核酸（噬菌体或质粒）或解除基因组连接。而占已知pAgo大多数的短pAgo的研究较少。短pAgo只编码MID结构域和PIWI结构域，并且其PIWI结构域没有核酸酶催化中心，不能降解结合的核酸。但是短pAgo通常与一个伴侣蛋白形成异源复合物发挥功能。长久以来，细菌中的短pAgo（约占Ago家族58%）如何发挥作用以及怎么发挥作用是领域内亟待解决的重大问题【3】。
这一领域的第一个突破性发现来自荷兰瓦赫宁根大学的Daan C. Swarts团队。2022年，他们研究了一种短pAgo与伴侣蛋白（TIR-APAZ）组成的异源二聚系统MapSPARTA。当细菌遭受外源质粒侵袭后，MapSPARTA被激活，在单链RNA引导下结合靶向单链DNA后，MapSPARTA可以形成四聚体，从而激活伴侣蛋白中的TIR结构域的NAD(P)+酶活性，进而消耗细菌体内的NAD(P)+。因为NADP是维持细菌生存必需的小分子，NADP的耗竭将会导致细菌死亡。这样，通过牺牲侵染细菌个体达到保护群体的效果【4】。Swarts团队的发现未能揭示MapSPARTA的结构和活化机理。
2023年7月26日，来自俄亥俄州立大学的傅天民团队，在Nature以加速出版形式发表论文Oligomerization-mediated activation of a short prokaryotic Argonaute，他们利用冷冻电镜和生物化学手段，完整揭示了的MapSPARTA活化机理。
在文中，作者捕捉到一系列高分辨率的MapSPARTA构象，包括未激活状态下的MapSPARTA单体结构，结合引导RNA链和靶向DNA链后的单体结构，MapSPARTA二聚化的中间态结构，四聚化的活化态的MapSPARTA，以及四聚体与NAD+的复合物，完整呈现了MapSPARTA独特的层级激活分子机制。鉴于Ago蛋白在众多生物体中的广泛存在，研究清楚MapSPARTA的作用机制，不仅有助于理解短pAgo的生物学功能和分子作用机制，也为改造pAgo奠定了基础。具体研究内容如下：
1)解析了分辨率为3.1 ?的未激活状态下的MapSPARTA单体结构，阐明了单体的基本结构组成，以及各个结构域的相互作用。2)与其他Ago相比，MapSPARTA独特的APAZ结构域有一个C末端基序，这个C末端基序占据核酸结合口袋，起到抑制了核酸结合的功能。3)阐明了MapSPARTA识别RNA引导链和DNA靶向链的分子基础。与其他Ago相比，短的pAgoMID结构域中特别存在的两个Loop，导致RNA引导链和DNA靶向链从第三位才开始互补配对。4)解析了分辨率为2.7 ?的活化状态下的四聚体MapSPARTA结构，结构像一个美丽的蝴蝶。四聚体中存在两类相互作用：一类通过两个MID-MID结构域介导；另一类则是通过4个TIR结构域形成聚集体来实现的。四个MapSPARTA形成一个不对称的四聚体。四个SPARTA分子有两种不同的状态，两种状态下的TIR结构域有大约180度的翻转。5)TIR四聚体中有两种相互作用界面：二聚化作用界面和四聚化作用界面。TIR结构域可以催化NAD降解，研究表明NAD+分子结合在TIR结构域两个二聚化作用界面上。进一步生化分析发现四聚体对于TIR的催化是必要的。6)本文捕捉到了MapSPARTA未激活结构，结合核酸的单体结构，结合核酸的二聚体结构， 以及活化的四聚体结构，这一系列结构揭示了MapSPARTA的层级激活机理。未激活状态下的MapSPARTA单体结合RNA引导链/DNA靶向链后，MID结构域发生构象变化。接着，两个结合互补核酸链的MapSPARTA单体相互靠近后，由于MID形状和电荷的互补，MID结构域和另一个MID结构域发生相互作用，形成一个对称的二聚体。在对称二聚体中，APAZ连接的TIR结构域由于电荷和形状的互斥反应，其中一个TIR结构域发生近约180度的翻转，形成不对称二聚体。最后两个不对称二聚化的MapSPARTA再通过TIR相互作用变为四聚化激活状态。
图1. MapSPARTA的图示激活过程综上，本研究首次从分子水平上描述了短pAgo家族MapSPARTA的激活机制，为理解其他短Ago活化机理奠定了基础，也为进一步改造MapSPARTA成为核酸检测或治疗工具提供了理论支持。
俄亥俄州立大学医学院生化与药理学系傅天民教授为本文通讯作者，博士后沈张飞和博士生杨晓媛为论文的共同第一作者，加州理工大学的夏时雨博士、凯斯西储大学的黄围和Taylor博士、俄亥俄州立大学的中西博士（Kotaro Nakanishi）做出了重要贡献。
傅天民教授课题组（https://u.osu.edu/fu.978/）自2020年夏独立至今三年，已发表20余篇论文，其中以通讯作者或者共同通讯作者在Nature、Molecular Cell、Neuron、Nature Structural & Molecular Biology、Nature Communications、Science Advances、Nucleic Acids Research、PNAS等杂志已发表（接收）论文10余篇。
课题组主要通过一系列生物化学，生物物理和细胞生物学研究手段，来探究原核和真核免疫、癌症生物学和神经退行性疾病中信号蛋白的组装和调控机制，旨在为药物开发提供新的靶点和研究思路。课题组氛围轻松有活力，成员积极向上。期待有志科研，有兴趣的研究生或博士后加入，共同努力前进。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06456-z参考文献 1.Swarts, D. C. et al. The evolutionary journey of Argonaute proteins. Nat Struct Mol Biol 21, 743-753, doi:10.1038/nsmb.2879 (2014).
2.Peters, L. & Meister, G. Argonaute proteins: mediators of RNA silencing. Mol Cell 26, 611-623, doi:10.1016/j.molcel.2007.05.001 (2007).
3.Lisitskaya, L., Aravin, A. A. & Kulbachinskiy, A. DNA interference and beyond: structure and functions of prokaryotic Argonaute proteins. Nat Commun 9, 5165, doi:10.1038/s41467-018-07449-7 (2018).
4.Koopal, B. et al. Short prokaryotic Argonaute systems trigger cell death upon detection of invading DNA. Cell 185, 1471-1486 e1419, doi:10.1016/j.cell.2022.03.012 (2022).
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撰文 | 十一月人类内耳是最复杂的器官之一，以螺旋形耳蜗为特征，耳蜗内细胞排列有序，有探测声音的感觉细胞以及错综复杂的前庭赋予平衡感。内耳形态发生的复杂性在胎儿发育期间高度协调且具有高保真性。听力障碍在出生时的发病率约为0.2%。随着耳机等音乐设备的出现，越来越多成年人出现更为严重的中度至重度听力损失【1】。
为了在体外重现人类内耳发育的复杂过程，2023年7月6日，美国印第安纳大学Eri Hashino研究组在Cell Stem Cell发文题为Generating high-fidelity cochlear organoids from human pluripotent stem cells，通过人类诱导多能干细胞建立了高保真性耳蜗类器官。
耳蜗中的机械敏感毛细胞负责听力，但是容易受到基因突变和环境损伤。由于人类耳蜗组织研究样本的缺乏，对人类耳蜗组织以及其中毛细胞的研究变得非常困难。类器官的出现则为耳蜗组织的研究提供了重要平台。为了监测体外培养中人类诱导多能干细胞衍生耳蜗祖细胞和毛细胞的效率，作者们利用CRISPR/Cas9基因编辑技术构建了PAX2-2A-nGFP/POU4F3-2A-ntdTomato的双色报告因子。PAX2 是耳蜗祖细胞早期标记物，而POU4F3则是高度特异性的分化毛细胞标记物，可以用于确定耳蜗类器官培养效率（图1）。
图1 表达PAX2-2A-nGFP/POU4F3-2A-ntdTomato双色报告因子的耳蜗类器官
作者们所建立类器官的平台一定程度上依赖人类诱导多能干细胞的自我诱导分化，与之前报道的内耳类器官实验方案类似【2-5】。为了进一步优化培养系统从而可以持续产生毛细胞以及前庭表型，作者们对耳蜗组织发育中的关键因子进行分析。Sonic Hedgehog（SHH）以及WNT信号通路在耳蜗结构的发育中发挥了关键作用。因此，作者们在诱导方案中顺序加入小分子SHH激动剂PUR以及WNT抑制剂IWP2，作者们发现促进内耳类器官的腹侧化（图2）。
图2 优化耳蜗类器官实验方案
随后，作者们对内耳类器官进行单细胞RNA测序，总共收集了37,073个细胞，对耳蜗细胞标记物进行分析确定了诱导培养方案的有效性。PUR+IWP2的处理会促进人内耳类器官耳祖细胞的腹侧化。另外，通过标记物的免疫染色，作者们发现腹侧化的内耳类器官中表达毛细胞标记物。扫描电镜的结果也表明所建立耳蜗类器官表现出毛细胞的结构特征，电生理学的研究也发现类器官表达外毛细胞标记物PRESTIN且具有耳蜗外毛细胞特有的电压门控电流特征。
图3 工作模型
总的来说，作者们通过复制耳蜗组织发育的关键分化线索，通过顺序调节Sonic Hedgehog和WNT信号通路优化耳蜗类器官的诱导方案，促使耳蜗类器官中发育出形态各异的毛细胞并且具有标记物表达、结构特征以及电生理特征，实现了人类听觉系统的全面模拟，为内耳发育以及病理学研究提供了重要工具平台。
原文链接：?https://doi.org/10.1016/j.stem.2023.06.006参考文献1. ? Morton, C.C., and Nance, W.E. (2006). Newborn hearing screening–a silent revolution. N. Engl. J. Med. 354, 2151–2164. https://doi.org/10.1056/NEJMra050700.
2. ? Koehler, K.R., Nie, J., Longworth-Mills, E., Liu, X.P., Lee, J., Holt, J.R., and Hashino, E. (2017). Generation of inner ear organoids containing functional hair cells from human pluripotent stem cells. Nat. Biotechnol. 35, 583–589. https://doi.org/10.1038/nbt.3840.
3. Nie, J., Ueda, Y., Solivais, A.J., and Hashino, E. (2022). CHD7 regulates otic lineage specification and hair cell differentiation in human inner ear organoids. Nat. Commun. 13, 7053. https://doi.org/10.1038/s41467-022- 34759-8.
4. ? Nie, J., and Hashino, E. (2020). Generation of inner ear organoids from human pluripotent stem cells. Methods Cell Biol. 159, 303–321. https://doi.org/10.1016/bs.mcb.2020.02.006.
5. Ueda, Y., Moore, S.T., and Hashino, E. (2022). Directed Differentiation of Human Pluripotent Stem Cells into Inner Ear Organoids. Methods Mol. Biol. 2520, 135–150.https://doi.org/10.1007/7651_2021_448
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撰文 | 春晓如教课书中所授（图1），在哺乳动物细胞中，有丝分裂原（Mitogens）激活CDK4/6（cyclin-dependent kinase 4/6）、磷酸化肿瘤抑制因子视网膜母细胞瘤蛋白（Retinoblastoma protein，Rb）、激活转录因子E2F1-3。这些E2Fs促进细胞周期蛋白Cyclins E和A的转录，Cyclins E/A与CDK2形成复合物，CDK2磷酸化Rb并进一步驱动E2F介导的Cyclin E/A的转录。因此，一旦这个过程被激活，CDK2与Rb就形成了正反馈环路，即使在没有上游有丝分裂原信号的情况下也能不断地进行细胞分裂，这个标志着哺乳动物细胞在细胞周期中进入不可逆分裂增殖的点被称为限制点（Restriction point，R点）【1】。然而，有些研究对R点模型和细胞周期的基本调控理论提出了质疑【2-4】。因此，需要有研究来对细胞周期的基本调控理论模型进行修正。
图1. 教科书中的细胞周期基本调控模型。
近日，来自美国国家癌症研究所的Steven D. Cappell研究小组在Nature杂志上发表题为Loss of CDK4/6 activity in S/G2 phase leads to cell cycle reversal的研究论文，这篇文章所报道的模式与教科书相反，即细胞周期是完全可逆的。在没有有丝分裂原的情况下，有丝分裂和细胞周期退出之间的竞争决定了细胞命运，这种时间竞争之所以出现，是因为Cyclin A2/CDK2的活性在整个细胞周期中取决于CDK4/6的活性，CDK4/6介导的cyclin A2转录的抑制是细胞周期退出的原因。这项研究揭示了R点现象的分子机制，发现了CDK4/6活性调控在S期和G2期的新作用，并解释了有丝分裂原信号丢失后的细胞命运。
R点模型的主要原理是，pre-R细胞对有丝分裂原信号敏感，如果有丝分裂原信号消失，将退出细胞周期进入G0期，而post-R细胞不需要有丝分裂原的信号，它们会完成有丝分裂，将子细胞停滞在G0【5】。然而作者通过高通量单细胞成像来跟踪细胞周期验证这一模型时发现并非所有细胞在有丝分裂原信号消失后后都以2N DNA含量停滞在G0期中，有一些细胞进入了具有4N DNA（每个染色体4个拷贝，例如二倍体）和低磷酸化Rb的“G0样”状态，这表明CDK2和Rb之间的正反馈环路并没有在这些细胞中无限期地保持。尽管有丝分裂原信号维持着细胞周期S/G2中CDK2的活性，然而并非所有post-R细胞都不可逆地进行着分裂增殖，一些细胞在有丝分裂原信号丢失后退出细胞周期进入了G0样状态（图2）。
图2. 有丝分裂原信号丢失后的post-R细胞命运
为了理解为什么这些异常的post-R细胞在有丝分裂原信号丢失后退出细胞周期而不是进入有丝分裂，作者建立了竞争时钟模型，发现在缺乏CDK4/6信号传导的情况下，所有post-R细胞都无法维持CDK2活性，这与CDK2活性自我维持这一教科书模型形成了鲜明对比。作者观察到一些细胞在G2期退出细胞周期的原因是这些细胞的细胞周期退出时钟比其有丝分裂时钟更短，有丝分裂和细胞周期退出之间的竞争决定了细胞的命运。
第二个问题是CDK2和Rb是否真正存在自我维持的反馈环路。为了解决这一问题，作者在CDK4/6i处理的post-R细胞中检测了CDK2–Rb反馈环路的每一个分子，确定CDK4/6介导的cyclin A2转录的抑制是细胞周期退出的原因。CDK4/6促进细胞周期S/G2期蛋白Cyclin A2的合成，这意味着CDK4/6活性在S/G2期维持CDK2活性中起着关键作用。Cyclin A2水平决定了细胞周期退出时钟的时间。Cyclin A2起始水平较低的细胞在失去有丝分裂原信号后，CDK2失活且退出细胞周期所需的时间较少，因此，Cyclin A2是细胞周期退出时钟的主要贡献者。
此外作者还用了数学模型【6】对竞争时钟模型进行了验证，在不存在有丝分裂原的情况下，由于Cyclin A2的前馈回路调控，有丝分裂和细胞周期退出之间的竞争决定了细胞的命运。在有丝分裂原信号传导被阻断时，距离有丝分裂大于约15小时的细胞1会退出细胞周期，而在细胞周期中走的更远的细胞2将在分裂成两个子细胞之前进行有丝分裂（图3）。
图3. 有丝分裂和细胞周期退出之间的竞争决定了细胞命运
综上所述，这项研究对长期以来细胞周期的基本模型提出了挑战，为为什么以前观察到R点现象提供了一个科学的解释，为细胞如何逆转有丝分裂细胞提出了新见解，细胞的命运由有丝分裂和细胞周期退出这两种互斥事件之间的时间竞争所决定，更普遍地说，任何两种互斥的命运之间的时间竞争都可以被细胞用于决策，例如，在增殖或分化之间做出决策，或在有丝分裂和凋亡之间做出决策。因此，这项发现可能对细胞周期调节之外的细胞决策也具有参考价值。
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-023-06274-3参考文献1. Pardee, A. B. A restriction point for control of normal animal cell proliferation. Proc. Natl Acad. Sci. USA 71, 1286–1290 (1974).
2. Schwarz, C. et al. A precise Cdk activity threshold determines passage through the restriction point. Mol. Cell 69, 253–264.E5 (2018).
3. Spencer, S. L. et al. The proliferation-quiescence decision is controlled by a bifurcation inCDK2 activity at mitotic exit. Cell 155, 369–383 (2013).
4. Martinsson, H. S., Starborg, M., Erlandsson, F. & Zetterberg, A. Single cell analysis of G1 check points-the relationship between the restriction point and phosphorylation of pRb. Exp. Cell. Res. 305, 383–391 (2005).
5. Min, M., Rong, Y., Tian, C. & Spencer, S. L. Temporal integration of mitogen history in mother cells controls proliferation of daughter cells. Science 368, 1261–1265 (2020).
6. Yao, G., Tan, C., West, M., Nevins, J. R. & You, L. Origin of bistability underlying mammalian cell cycle entry. Mol. Syst. Biol. 7, 485 (2011).