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湖北宜昌打造长江经济带转型升级绿色发展示范园区


2018年08月15日 03:02

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  调控玉米性状 可变剪接“火”起来

  视觉中国

  最近,中国农业大学国家玉米改良中心田丰教授团队与杨小红教授团队合作研究,以368份玉米自交系未成熟籽粒为实验材料,定位玉米种全基因组水平QTL(数量性状位点),全面解析了其可变剪接的调控机制,并为研究表型变异提供了重要线索。相关论文近日发表在《植物细胞》杂志上。

  实习生 刘雨亭

  可变剪接,这个早在上世纪就被提出的概念,在近几年的研究中,又“火”了起来。科学家们发现,可变剪接不仅丰富蛋白质组多样性,还在生物体内起着重要的调控作用。

  可变剪接是什么?这项研究有了什么新发现?是怎样得出来的?实验中的难点是什么?对之后的研究有怎样的借鉴意义?科技日报就此采访了该研究团队。

  玉米变异丰富,比人猿间差异还大

  可变剪接,又称选择性剪接。其过程是未成熟的mRNA(信使RNA)分子通过选择不同的剪切位点,切除掉其部分片段,将剩余片段以多样化组合方式重新连接在一起,形成多种不同结构的成熟mRNA分子。

  “简单来说,就是一个前体mRNA分子可以经过不同的加工方式,形成不同的成熟mRNA产物。”该论文第一作者、中国农业大学玉米改良中心陈秋月博士解释道,这就像用剪刀去剪绳子、再把剪下来的绳段重新打结一样,剪哪里、剪几刀、留下哪些绳段、以什么顺序打结,这些都会产生不同的新绳。

  成熟mRNA分子可翻译表达各种不同的蛋白质,因此,可变剪接自上世纪被提出以来,就被认为是丰富蛋白质组多样性的主要机制。近几年,随着科学家们通过实验发现可变剪接在细胞内还起着重要的调控作用,以及高通量测序技术及生物信息学的飞速发展,可变剪接的相关研究又“火热”起来,这些研究分别从不同环境下比对单个基因和个别品种可变剪接变化的角度展开。而这次实验所采用的全基因组水平QTL定位方法,在植物学领域是一次创新尝试。

  QTL是指控制数量性状的基因在基因组中的位置。全基因组水平QTL定位,通俗地讲,就是在全基因组范围内,把控制株高、籽粒重等变异连续性状的各基因,在基因组中的位置给找出来。

  为更接近玉米群体真实转录水平,研究团队采用自然群体,以368份玉米自交系未成熟籽粒为实验材料,对转录本组,即一个基因通过可变剪接转录形成的多种成熟mRNA,进行重新组装,获得了以往未被研究的新转录本。

  “玉米遗传多样性高,基因组变异和表型变异都非常丰富。任何两颗玉米之间的差异,都比人和猩猩之间的差异大。”论文共同第一作者、华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室博士后刘海军说,“并且玉米是异交作物,连锁不平衡衰减很快,定位精度高,非常适合用来研究可变剪接的遗传机理。”

  对实验材料的转录本组取样是项繁重的工作。368份玉米自交系,每份自交系种植15株,再选3到5株做自交,在成功收获的每根玉米棒上用手术刀取15颗完整籽粒。算下来,一共需要人工剥取2万多颗玉米粒,这仅是取样的第一步。科研团队还需将玉米粒在零下190摄氏度液氮环境下磨碎,再进行RNA提取工作。

  “双手磨出泡是常有的事儿。担心唾液淀粉酶降解掉RNA,我们必须要戴双层口罩,不能说话,一天下来耳朵那儿被绳子勒得很疼。”陈秋月讲述道,“这次实验涉及1万多个基因,SNP标记有125万个,数据分析工作量很大。而且实验室服务器的容量不够,我那会儿经常到别的实验室借机器用,还去过武汉借华中农大的超级计算机跑程序。”

  不同QTL,功能定位各负其责

  该项研究发现,可变剪接能通过与不同层次的分子调控机制频繁偶联,进而广泛参与细胞转录及转录后水平调控。

  其中一类调控机制是小RNA介导的转录调控。小RNA,一种非编码单链RNA分子,会识别与之序列相匹配的转录本,并和其他蛋白一起将其降解。“但如果因为可变剪接表达出不含相应识别位点的转录本,则不会受此影响。”刘海军说。

  还有一类是无义介导的mRNA降解机制。“通过内含子保留形成的转录本中,保留下来的这段内含子上如果含有终止密码子,就会导致翻译提前终止,这样的mRNA序列就会被细胞降解掉。”刘海军解释道。

  除此之外,可变剪接也对小干扰多肽起着调控作用。转录因子在此过程中扮演着核心角色。转录因子是基因表达调控研究领域的“明星”——一个转录因子可以影响一系列下游的基因在何时何地表达,甚至表达量的多少。有一类转录因子,由于其上存在一段多聚化功能区域,需通过形成二聚体才能发挥作用。

  刘海军将这样的功能区域形象比喻为转录因子的“手”,并进一步解释:“如果可变剪接,比如外显子跳跃,使得转录出的转录因子丢掉了发挥识别功能的区域,但是其他的功能域特别是‘手’还被保留下来,那这些因不能识别DNA而无法正常行使功能的转录因子片段,就会死缠烂打地牵着功能正常的蛋白质,大量消耗正常转录因子,使其也无法行使调控作用了。”

  该实验通过对玉米全基因组QTL进行定位,发现sQTL(控制可变剪接变异的QTL)与eQTL(控制基因表达的QTL)共定位的情况占比很小。由此看来,基因表达总量的多少和其转录本组的比例构成,二者关系并不密切。

  “就像在家庭关系中老公挣钱交给老婆,老婆操心分配这些钱该怎么花,挣钱的总量和分配下去的比例这两个过程是相对独立的,或者说由不同角色来负责的。”刘海军对科技日报讲解道,“当然也有同一个人说了算的情况,但是这种情况的比例比较低。”

  指挥“千军万马”的“司令官”

  有一个小家伙引起了研究人员的特别注意。实验发现,一条叫做ZmGRP1的基因可以调控高达一千多个下游基因的可变剪接。陈秋月表示,由于此前已有研究发现,ZmGRP1在拟南芥中的同源蛋白AtGRP7和AtGRP8可以调控许多基因的可变剪接,由此她推测ZmGRP1也有相似的功能。

  为证实这一设想,她利用CRISPR/Cas9基因编辑技术,敲除该基因编码区,被破坏掉编码区的ZmGRP1就无法正常表达。将经过此处理的植株和正常植株进行比对,发现有一千多个基因的可变剪接受到影响。ZmGRP1就如司令官指挥千军万马一般,调控着这些基因的可变剪接。

  此外,根据此次QTL定位图谱中的一些sQTL与eQTL共定位现象,科学家们推测,可变剪接变异可能直接影响表型变异,但具体的调控过程仍有待探索。

  “在这方面我们的结果更重要地是提供了一个资源,可以让玉米界其他研究具体性状或者具体基因的同仁参考、借鉴。”刘海军表示。可以展望的是,在今后的研究中,或可在不影响基因表达的情况下,人为改变其转录本构成,可以对玉米性状进行更精细的调控。

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  从“睡城”到“创业城”,只差一个“回+双创社区”

双创社区内举办交流活动

  “回+理想乡”——极客丛林人才公寓

  创业与生活紧密集合,是“回+双创社区”的理念。除了创新创业,还有休闲阅读、社交分享、文艺生活……年轻创业者需要的,在这个开放式的创业生活空间里都能找到。这要回溯到2016年,回龙观、天通苑等人们印象的“睡城”,在那年被逐渐唤醒。

  昌平区结合城市功能定位和区域特点,由政府主导,集中使用中小专项资金,打造了腾讯众创空间(北京)、龙域中心、极客丛林等一批示范空间载体,树立“回+”双创社区品牌,打造“资本、人才、技术、信息、文化、空间”六位一体的创新创业生态圈,引导中心城区就业人口在居住地创新创业。

  2016年,回龙观双创社区在原有的20多家孵化器、近20万平米孵化空间的基础上,新增了近20万平米众创空间和加速空间。目前,已集聚4个国家级孵化器、2个国家级众创空间、1个国家级小微企业创业创新示范基地,产业覆盖了移动互联网、云服务、人工智能、大数据、智能硬件、智能制造、医疗健康、能源科技等众多行业领域。

  “回+读创空间”,成为回龙观人“共读的书房、共享的会客厅”。依托“回+读创空间”和“回+孵化服务平台”,开发了“回+吃饭(FUN)”“回+创业沙龙”“回+创业课堂”“回+创业论坛”“回+创业大赛”“回+创业实验室”“回+创新实验室”等系列品牌服务产品。

  此外,还举办了腾讯互联网创业大赛、回+双创杯回超羽毛球联赛、北京市文创大赛、北京设计周、回+双创杯铁三挑战赛、中国媒体人创业(北京)峰会、回+双创社区暨腾讯众创空间(北京)周年主题月等一系列重大赛事活动。“回+”系列在2016全年共举办各类活动25场,参与人数达2000余人。

  有了空间和活动,双创企业也需要来自政府实打实的支持。2016年7月,“回+双创社区”启用了“政务会客厅”,在社区内开通了各专项政务服务窗口,为创业企业提供便捷、高效的“一站式”现场办公服务。

  截至目前,昌平区工商分局双创社区登记注册分中心,已为社区内142家企业办理了工商注册登记事项;昌平区知识产权局知识产权服务中心和人力社保局人力社保服务中心也分别入驻,对入驻企业进行了调研,开展了多次专题培训和政策解答活动;昌平区中小企业公共服务平台也为企业提供了线上服务的渠道,实现了线上线下的无缝对接和协同服务。

  同时,昌平区还组建了创新创业服务者协会,目前已召集成员单位30余家。另外,团区委支持公益组织创业的“益创空间”、团市委的“青年e站”、区图书馆分馆等平台,也已进驻了“回+双创社区”,区地税局相关服务机构也将入驻首开项目,为入驻项目提供税务服务。

  腾讯众创空间(北京)是“回+”双创社区的首发项目,总建筑面积5.5万平方米,居国内单体众创空间的前列。自2016年7月开放以来,已入驻团队301个,吸纳就业3600人,形成知识产权共计1150项,吸引英诺天使、臻云创投等20家专业投资机构入驻,构建了众创孵化空间、创业加速空间、创业生活空间、投资人空间、智能硬件实验室/DIY仓储、政务会客厅、读创空间等完善的创业创新生态圈。

  龙域中心东区智慧办公于2017年6月正式开业,目前已经全部出租,入驻企业超过100家,其中“硬科技”领域企业占60%,涉及医疗健康、智慧农业、轨道交通等智能硬件企业占70%,AI及大数据企业占30%。入驻期间从业的硬科技领域人才超过2000人。

  北京奥维视讯科技有限责任公司,专业从事高性能视频编码器产品的研发、生产、销售和售后服务,以及相关产品的系统配套和技术支持,拥有其全部产品线的自主知识产权。北京镁伽机器人科技有限公司于2016年6月创立于昌平区,致力于为中小制造业企业提供轻量易用的协作机器人,已积累多项具备世界竞争力的核心技术,并申请发明专利60余项,构建出初具规模的产品线体系,并已实现批量生产……

  目前,龙域中心入驻企业中国高新企业20家、高聚工程2家。代表企业或者机构以昌平区本土扶持发展的高科技公司为主,也不乏国内一流企业甚至世界500强公司。累计获得各类荣誉资质100余项。

  龙域中心东区入驻企业员工70%左右居住在回龙观区域,西区投入使用后,龙域中心累计带动区域就业人口将达到3000余人。总体来看,龙域中心基本实现职住平衡,初步实现家门口创业就业,极大缓解了交通拥堵和就业问题。

  从“睡城”到实现家门口就业,也许就差一个“回+双创社区”。

  来源:中国青年报


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