《PNAS》八大热点文章

　　

生物通报道：《PNAS》（美国国家科学院院刊）是与Nature、Science齐名，被引用次数最多的综合学科文献之一，PNAS收录的文献涵盖生物、物理和社 科学，主要内容包括具有高水平的前沿研究报告、学术评论、学科回顾及前瞻、学术论文以及美国国家科学学会学术动态的报道和出版。近期其最受关注的文章（生物类）如下：

The avocado genome informs deep angiosperm phylogeny, highlights introgressive

科学家们已经对牛油果/鳄梨（avocado）的基因组进行测序，揭示了这种水果的古老起源，并为未来农业改良奠定了基础。

这项研究首次揭示了流行的哈斯鳄梨（Hass avocado）大约61%的DNA来自墨西哥品种，39%来自危地马拉品种。（鳄梨有很多种，但哈斯是20世纪20年代首次种植的，它是世界各地生长的鳄梨的主要组成部分。）

本研究也为了解单个鳄梨基因的功能，利用基因工程提高鳄梨树的生产力，提高抗病性，创造新口味、新质地的果实提供了重要的参考。

科学家们不仅对哈斯鳄梨进行了测序，还对来自墨西哥、危地马拉和西印度群岛的鳄梨进行了测序，该项目由墨西哥国家生物多样性基因组学实验室（Langebio）、德克萨斯理工大学和布法罗大学领导。这项研究于8月6日发表在《美国国家科学院院院刊》上。

Transient induction of telomerase expression mediates senescence and reduces tumorigenesis in primary fibroblasts

马里兰大学和美国国立卫生研究院的一项新研究揭示了端粒酶的新作用。

端粒酶在正常组织中唯一已知的作用是保护某些经常分裂的细胞，如胚胎细胞，精子细胞，成体干细胞和免疫细胞。科学家认为端粒酶在所有其他细胞中被关闭，除了癌症肿瘤中，在癌细胞中，它能促进无限细胞分裂。

这项新研究发现可以使癌细胞“永生”的端粒酶也可以预防肿瘤，减缓正常细胞死亡的关键阶段。也就是说在衰老过程关键时刻，正常成体细胞中的端粒酶会重新激活，缓解细胞老化的压力，减少可能导致癌症的DNA损伤。

Identification of the expressome by machine learning on omics data

近年来遗传学迅猛发展，许多科学家们希望能借此找到一种清晰，快速的方法进行基因组序列扫描，找出各种可以表达的基因，和不能表达的基因。基因表达是基因内编码的信息，用于产生关键产物（如蛋白质）的过程。

然而令人惊讶的是，迄今为止这还只是一个希望。不过加州大学圣地亚哥分校的生物学家开发出第一个基于机器学习确定基因表达的系统。鉴于缺乏这种方法，新方法被认为是生物学家的一种遗传学“Rosetta Stone”（Rosetta Stone是一款专业的多媒体语言教学程序，可以提供有效的语言学习方法，生物通注）。

对于这项研究，他表示“这篇论文提出了区分是否可以表达的基因的第一种方法，这是所有生物学的基础。无论是药物发现还是植物育种或进化，都需要生物学的基础研究。”

生物学家之前已经通过实验观察和科学文献参考将基因表达分类。但是基因组学领域缺乏一种形式化的过程来揭示这种信息，称为“可表达基因集”，即EGS（expressible gene set），它包含所有可能表达的蛋白质编码基因。

“在生物学方面，没有办法做到这一点，”Briggs说，“过去我们只有制作目录的经验方法，还没有基于其分子特征对基因进行分类的科学标准。”

这一新方法利用机器学习，通过算法和其他过程来分析数据，并基于包含特定的，详细的分子特征的近30,000个基因的数据集，对数据进行了高级算法训练，让它“学会”将基因表达分类，完成精确度高达99.4％。

Structural insight into multistage inhibition of CRISPR-Cas12a by AcrVA4

近年来，针对CRISPR-Cas系统的作用机制研究取得了一系列重要进展，这类系统的序列特异性核酸剪切活性能够对多种细胞和生物的基因组进行有效编辑，在基因工程和生物医学等多个领域显示出了巨大应用潜力。其中最受关注的是Cas9（type II）和Cas12a（type V）系统，二者都被设计和改造成高效精准的基因编辑工具，而Cas13a（type VI）系统也被开发成为高灵敏性的核酸检测系统。

为了逃逸宿主的CRISPR-Cas免疫作用，噬菌体也进化出了多种anti-CRISPR（Acr）蛋白来抑制宿主菌体内CRISPR-Cas系统的功能。目前为止，研究人员已发现了一系列针对type I和type II CRISPR-Cas系统的Acr蛋白，并且其中多个Acr蛋白的抑制机理已被阐明，具有非常明显的特异性和多样性。

最新研究通过体外结合实验，发现AcrVA4能够与LbCas12a-crRNA二元复合物以及切割前后两种状态的LbCas12a-crRNA-dsDNA三元复合物结合，但是不能结合单纯的Cas12a蛋白，表明AcrVA4识别Cas12a的特定构象。随后，研究人员利用冷冻电镜单颗粒三维重构技术，解析了AcrVA4与LbCas12a-crRNA结合的原子分辨率的三维结构。

结构显示AcrVA4以同源二聚体形式存在，并且与一个或两个LbCas12a-crRNA二元复合物进行结合。在两种形式的复合体中，AcrVA4通过类似的机制与Cas12a相互作用，表明两种结合模式具有相同的抑制作用。

进一步结构分析表明，AcrVA4利用其C端结构域与LbCas12a的多个结构域发生相互作用并锁定其构象，从而阻止靶标DNA与crRNA的spacer序列进行互补配对，进而阻断DNA切割反应。有趣的是，当AcrVA4与切割前状态的LbCas12a-crRNA-dsDNA三元复合物（R-loop状态）相互作用时，能够将结合的dsDNA剥离下来，从而拯救被捕获的靶标DNA使其不被切割。此外，AcrVA4还能与切割后的LbCas12a-crRNA-dsDNA复合物结合并具有较高亲和力，这可能会干扰Cas12a被新的crRNA重置，阻断酶的循环利用过程。

Genetic variation of DNA methyltransferase-3A contributes to protection against persistent MRSA bacteremia in patients

杜克大学研究人员领导的一项新研究发现，一种遗传倾向似乎增加了个体成功对抗耐药性超级细菌MRSA（耐甲氧西林的金黄色葡萄球菌）感染的可能性。

这一研究发现公布在PNAS杂志上，为解决困扰患者已久的超级细菌问题提出了重要见解，解释了为何一些人容易被MRSA感染，并且这一发现也有助于研发新的更好的治疗方案的开发。

“抗生素耐药性葡萄球菌感染的流行率越来越高，我们迫切需要更好地了解患者为何无法对抗这些难以治疗的金黄色葡萄球菌，以及如何更好的对抗它们，”文章通讯作者，杜克大学医学和分子学教授Vance Fowler医学博士说。

“这项研究提供了一个可以帮助感染MRSA的遗传变异的有力证据，”Fowler说。

Fowler及其同事根据年龄，性别，健康状况和MRSA感染等因素分析了两组密切匹配的患者。这68名患者一半患有持续的MRSA感染，一半能够从血液中清除感染。

他们对患者进行全外显子组测序，发现大约62％清除MRSA感染的患者中明显有一种遗传变异，而持续感染患者仅为9％。

这种基因突变位于染色体2p的DNMT3A区域，似乎能帮助患者的免疫反应更好地解决他们的MRSA感染问题。

关键免疫因子：DNMT3A突变能影响一种抗炎细胞因子：IL-10，这种因子可降低宿主对金黄色葡萄球菌感染的反应。研究人员发现，尽管适量的IL-10对于调节宿主反应至关重要，但过多的IL-10会引发组织损伤甚至死亡。

在那些具有基因突变的人群中，IL-10的血清水平被密切调控，表明宿主免疫应答能更好地清除MRSA感染。

Noncanonical auxin signaling regulates cell division pattern during lateral root development

细胞分裂模式在器官的形成过程中发挥着至关重要的作用。在植物中，生长素作为最重要的激素之一已经被报道在器官发育过程中调控细胞的分裂模式，然而细胞分裂模式如何在时空上被生长素精确调控仍然知之甚少。

福建农林大学海峡联合研究院徐通达课题组发表了题为“Noncanonical auxin signaling regulates cell division pattern during lateral root development”的研究文章，报道了非经典的植物生长素信号通过类受体蛋白激酶Transmembrane kinases (TMKs)调控侧根发育过程中细胞分裂模式的分子机制。

这一研究发现公布在PNAS杂志上，文章通讯作者为徐通达教授和何军副教授，第一作者为黄荣峰与郑蕊。

Structure of a C2S2M2N2-type PSII–LHCII supercomplex from the green alga Chlamydomonas reinhardtii

目前，在原子、分子水平上揭示光系统II光能捕获、传递及转化的精确机制仍存在巨大挑战。经过研究攻关，中国科学院植物研究所沈建仁、匡廷云研究团队与浙江大学张兴研究团队合作首次解析了一种C2S2M2N2型光系统II-捕光天线(C2S2M2N2-PSII-LHCII: C代表核心复合体，S、M、N分别代表不同结合类型的主要捕光天线复合体)超大色素蛋白复合体的三维结构，对于认识光系统II-捕光天线超大复合体中蛋白亚基的排列、色素分布及其能量捕获、传递机制具有重要意义。

研究人员选用光合作用模式生物莱茵衣藻(Chlamydomonas reinhardtii)为研究材料，在分离超大PSII-LHCII复合体的基础上，利用单颗粒冷冻电子显微镜技术，解析了该超级复合体近原子分辨率(3.37 )的三维结构。研究发现，该蛋白复合体是由两个PSII-LHCII单体按照C2对称性组装而成一个C2S2M2N2型的超分子复合体，总分子量为148万道尔顿(1.48 MDa)，是目前解析的最大光系统II-捕光天线色素蛋白复合体。

研究表明每个PSII-LHCII单体含有29个蛋白亚基(其中18个是PSII核心亚基，11个是捕光天线亚基)，189个叶绿素分子、53个胡萝卜素分子、2个去镁叶绿素分子和大量的脂分子。外周天线系统包括3个主要捕光天线复合体(S-LHCII、M-LHCII和N-LHCII)和2个次要捕光天线(CP26和CP29)亚基，不含有高等植物具有的CP24色素蛋白亚基。N-LHCII占据了高等植物PSII-LHCII中CP24的位置，通过PsbX亚基与D2蛋白亚基连接，并与CP29色素蛋白亚基有着直接的联系；M-LHCII相对于高等植物PSII-LHCII中M-LHCII的位置旋转了60°，这种结合方式导致了M-LHCII与CP29的连接进一步加强。

基于上述这些特殊的结构特点及色素分子的排列情况，研究人员在这一复合体中发现了多条光能捕获及传递途径，表明该C2S2M2N2-PSII-LHCII超分子复合体拥有更高效的光能捕获与传递功能，这可能有助于绿藻在水下弱光条件进行高效的光合作用。这些研究结果对进一步揭示光合生物光能高效捕获、传递及其对环境适应的分子机制具有重要意义。

（生物通）