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光可以控制基因开关

虽然人类基因组大约有两万多个基因,但是只有一小部分基因是持续进行转录和翻译的。这是根据细胞的状态决定的,而细胞的状态是随时变化的。研究人员希望寻找快速控制基因的开关,以探究基因的表达情况。

哈佛-麻省理工博德研究所(Broad Institute of MIT and Harvard)的研究人员,借助一项新技术找到了一个可以快速启动或者终止基因的表达的途径,那就是照射细胞的光。

这项工作是基于一项被称为光遗传学的技术进行的研究。光遗传学技术的原理是光可以改变光敏感蛋白质的功能。几乎就在光出现的同时,光敏感蛋白接收光信号,快速促进或者抑制基因的表达。

麻省理工学院脑认知方向的研究生 Silvana Konermann 表示:“基因表达是一个快速的动态过程,迄今为止, 用来干预基因表达的方法都是非动态的。如果要想更深入地了解基因表达的动态变化情况,就必须用一些与这个过程相符的动态的自然发生的手段干预基因的表达。”

如果能够精确地控制基因表达和持续的时间,就能了解某些特定基因的功能,尤其是那些参与学习和记忆的基因。其还能应用于表观遗传学修饰的研究。

目前这一研究在线刊登在了近期出版的《Nature》杂志上。该论文的资深作者是麻省理工学院麦戈文脑研究所的助理教授张锋,他同时也是布罗德研究所(Broad Institute)的核心成员。

光控开关

光控开关系统由几个相关联的部分构成,转录激活因子(TALE), CRY2(一种光敏感蛋白)和 CIB1( CRY2 的天然结合蛋白)。 DNA 结合蛋白 TALE 组合成特定的形式与 DNA 结合。 TALE 与 CRY2 融合在一起。当 CRY2 遇到光线,它就会改变结构与 CIB1 结合。这几部分协同作用,行使细胞的遗传指令——调控 DNA 转录成 mRNA 。

利用这一原理,研究人员将 CIB1 改造成可以与另外一个蛋白相结合的形式参与基因表达的调控。光开关系统进入细胞后, TALE 与目的 DNA 结合。当有光线照射到细胞时, CRY2 蛋白与原本游离在细胞中的 CIB1 相结合。 CIB1 携带的基因活化蛋白启动 DNA 的复制或者转录。或者, CIB1 携带的基因抑制蛋白抑制 DNA 的复制或者转录。

一个单一的光脉冲足以诱导蛋白结合,启动 DNA 复制和转录。研究人员发现,每分钟一次左右的光脉冲是实现连续转录最有效的频率。另外,连续给予30分钟的光脉冲,目的基因转录 mRNA 的水平显著增加,而光脉冲一旦停止, mRNA 的水平约在30分钟内开始下降。

研究人员通过对来自实验室培养的神经元和取自动物的细胞中的 30 个不同的基因进行研究发现,基因开关系统均可以使其转录水平增加。

斯坦福大学生物工程和光遗传学教授 Karl Deisseroth 说,该研究的创新点在于其光控开关系统控制的不是人工合成的基因,而是取自细胞的基因。基于这一技术,可以观测特定的基因在特定时间点的表达情况。

表观遗传学修饰

基因表达调控开关的另外一个作用就是研究表观遗传学修饰。表观遗传学一个重要的领域就是组蛋白的化学修饰。组蛋白可以与 DNA 结合在一起,控制相关基因的表达。研究人员发现可以通过 TALE 与组蛋白融合改变表观遗传学修饰。

表观遗传学修饰在学习和记忆形成过程中发挥了重要的作用,但是由于缺少有效的途径干预组蛋白的修饰,导致这一课题没有进一步深入研究。新技术的应用可以精确地干预单一基因的表达,从而给该课题的研究提供了可能性。

目前,研究人员已经证实,一些组蛋白的结构域可以与光敏感蛋白结合,他们正在扩充可以被应用到基因调控系统中的组蛋白修饰的类型。

该研究小组的成员 Mark Brigham 表示:“扩充可控的表观遗传学标记的数量是非常有用的,希望大家能将这一技术利用起来。”

尽管人类细胞中有着大约2万个基因,根据细胞的需要,在特定的时间只有一小部分的基因表达开启,且每时每刻都可能发生改变。要弄清楚这些基因的功能,研究人员需要一些工具以同样短的时间尺度来操控它们的状态。

现在,麻省理工学院和Broad研究所开发的一项新技术使这一切成为可能,只需用光照射细胞就能够快速地启动或终止任何目的基因的表达。这一研究成果发表在7月22日的《自然》(Nature)杂志上。

领导这一研究的是麻省理工学院生物医学工程学助理教授、McGovern 脑研究所及Broad 研究所核心成员张峰(Feng Zhang)博士。其目前的研究方向是设计新的分子工具来操控活体大脑。不久前他获得了美国生物医学瓦利基金青年研究家奖(Vallee Foundation Young Investigator Award)。

该研究工作是基于一项称之为光遗传学(optogenetics)的技术,其利用了可以响应光而改变功能的蛋白质。在这种情况下,研究人员采用光敏蛋白可在光亮后几乎即刻刺激或抑制特定靶基因的表达。

“细胞在相当短的时间内会发生非常动态的基因表达,然而到目前为止,研究人员所采用的那些扰乱基因表达的方法都无法追踪这样的动态。要更好地了解这些基因表达改变所造成的功能影响,我们必须要尽可能紧密地接近这些自然发生的动态,”论文的主要作者、麻省理工学院脑和认知科学研究生Silvana Konermann说。

能够精确地控制基因定时表达及持续的时间,可使人们更容易地弄清楚特定基因,尤其是那些与学习和记忆有关的基因的功能。此外,这一新系统还可用于研究表观遗传修饰——人们认为其在学习和记忆中也发挥了重要的作用。

用光照射基因 新系统由几个元件构成,它们彼此之间相互作用控制了DNA复制为信使RNA(mRNA)。第一个元件是称之为转录激活子样效应因子(transcription activator-like effector ,TALE)的DNA结合蛋白。TALEs是可以按定制方式组装到一起结合所有DNA序列的模块蛋白。

与TALE蛋白融合的是一种称作为CRY2的光敏蛋白,它自然存在于开花植物拟南芥中。当光照射CRY2时,它会改变形状,结合它的自然伙伴蛋白CIB1。为了利用它,研究人员操控将一种形式的CIB1与另一种或是激活或是抑制基因复制的蛋白融合到一起。

在将所有这些元件的基因传递到细胞中之后,TALE蛋白会找到它的靶DNA并结合它。当光照射细胞时,CRY2蛋白会结合漂浮在细胞中的CIB1。CIB1携带的是基因激活子,就会启动DNA复制为mRNA。携带的是基因抑制子,则会关闭这一过程。

一个光脉冲即足以刺激蛋白结合或启动DNA复制。研究人员发现每隔一分钟左右传递光脉冲可最有效率地获得持续期望时间的转录。在30分钟的光传递时间内,研究人员检测到靶基因生成的mRNA量上升。一旦脉冲停止,在大约30分钟内mRNA会开始降解。

在这项研究中,研究人员尝试靶向了实验室培养神经元及活体动物神经元中近30种不同的基因。根据靶向的基因以及它的正常表达量,研究人员将转录提升了2-200倍。

斯坦福大学生物工程学教授、光遗传学发明者之一Karl Deisseroth(未参与该研究)说,这项技术最重要的创新之处在于,不同于科学家们传递工程基因,它控制的是自然存在于细胞中的基因。

“你可以在精确的时间控制特定的遗传位点,以高时间精确度观察所有的事物如何做出反应,”Deisseroth说。

表观遗传修饰

基因表达控制的另一个重要元件是表观遗传修饰。组蛋白化学修饰是一类重要的表观遗传效应物。研究人员证实,他们还可以通过将TALE蛋白与组蛋白修饰因子相融合来改变这些表观遗传修饰。

人们认为表观遗传修饰在学习和记忆形成中发挥了关键的作用,然而由于缺乏好的方法来破坏这些修饰,尚未对这一机制进行深入地探索。新技术提供了一种更加精确的方法来改变个别基因的表观遗传修饰。

张峰说:“我们想让人们能够证明特定的表观遗传修饰在基因组中的因果作用。”

到目前为止,研究人员已经证实了一些组蛋白效应子结构域能够与光敏蛋白连接;他们现正致力扩大能够纳入到这一系统中去的组蛋白修饰子的类型。

“这对于扩大我们能够控制的表观遗传标记的数量非常有帮助。目前,我们已经成功获得了一组组蛋白修饰,但我们和其他研究人员还希望能够将这一技术应用于更多的组蛋白修饰,”Brigham说。

(生物通:何嫱)

日期:2013年7月27日 - 来自[技术要闻]栏目
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四逆汤对心血管系统保护作用机制的探讨

    四逆汤由附子、干姜、甘草组成,始见于张仲景的《伤寒论》。其中附子大辛大热,具有回阳救逆、补火助阳、散寒止痛的功效,为君药,其主要成分为乌头类生物碱 干姜性味辛热,具有温中散寒、回阳通脉的功效,在四逆汤中可助附子回阳,为臣药,其主要成分为总挥发油和姜辣素类化合物  。主要药理作用有强心、耐缺氧、升压、抗休克、对缺血心肌保护等。临床运用于冻伤、血栓闭塞性脉管炎、雷诺氏综合征、冠心病、下肢动脉闭塞以及静脉血栓形成等  。有学者从能量代谢的角度提出其“驱散寒邪、回阳救逆”的机制   。其组方较少,配伍简单,疗效确切。本文搜集近几年关于四逆汤对心血管作用机制的研究,试阐述其作用机理。
    对心肌细胞保护的作用
1  改善心肌细胞能量代谢
    吴伟康等  用垂体后叶素造心肌缺血动物模型,心肌超微结构用电镜观察分析,心肌ATP含量用高效液相色谱法测定,四逆汤组缺血心肌线粒体损伤显著减轻,糖原消耗显著减少,乳酸浓度显著下降,心肌营养血流量显著上升,氧自由基浓度显著降低。从而发现四逆汤具有显著改善缺血心肌能量代谢的作用,该作用与其增加心肌供血和清除氧自由基有关。
2对蛋白表达作用的影响
2.1对内皮素的影响  内皮素(endothelin,ET)是迄今所知作用最强、持续最久的缩血管活性多肽。研究认为,其在缺血性心脏病的发生发展进程中起着重要的作用。有学者用通过测定ET及四逆汤对ET-1表达的影响,发现四逆汤可显著降低缺血心肌ET浓度,并推测这可能与四逆汤能有效抑制缺血心肌ET-1基因的表达及蛋白合成有关  。
2.2对bcl-xl、xSmRNA表达的影响聂永梅等  用过氧化氢诱导损伤制备乳鼠心肌细胞氧化应激性损伤模型,发现四逆汤含药血清有较好的抗氧化应激性损伤保护心肌细胞的作用,这种保护作用可能通过增加Bcl-xl xSmRNA的表达,降低Bcl-xl xSmRNA的表达来实现。
2.3  对细胞Caveolin-1和eNOS表达的影响  刘勇等  通过建立同型半胧氨酸(Hcy)损伤EAh)r926细胞(人脐静脉内皮融合细胞)模型,通过Westem-blot和荧光定量PCR观察四逆汤对EAh)r926细胞内皮型一氧化氮合酶(eNOS)和小凹蛋白-1(Caveolin-1)蛋白和mRNA的表达发现,同型半胱氨酸可能通过增加caveo.1in-1的表达进而抑制eNoS的表达损伤人脐静脉内皮细胞,而四逆汤通过抑制caveolin-1的表达从而增加eNOS的表达。而eNOS的表达使得NO的产生增加,从而起到保护心肌细胞的作用。
2.4对转化生长因子-B,的影响  在心肌纤维化发展的过程中,转化生长因子一p1(transforming growth factor—B1,TGF.B1)具有重要的作用,细胞基质中,被激活后,与TGF-B1Ⅱ型受体结合形成受体复合物,并进一步使TBR丝/苏氨酸激酶激活。而Smads蛋白是丝/苏氨酸激酶受体的下游信号分子,也是TGF-B受体胞内激酶的唯一底物,具有转录激活作用。 
    钱孝贤等发现,四逆汤可以抑制髂动脉损伤后内膜TGF-B1的基因和蛋白表达,减少TGF-B1的产生,从而可以防治血管内膜增生和血管狭窄等  。
    而传导TGF-B的主要信息分子是Smad2,而Smad7可与Smad2竞争地结合受体,达到阻止Samd2磷酸化的目的,阻断TGF-B1的效应,最终达到抗心肌纤维化作用。
    廖火城等  用异丙肾上腺素造大鼠心肌纤维化模型,通过免疫组化方法检测心肌Smad2和Smad7蛋白在心肌的表达;RT—PCR法检测Smad2和Smad7 mR—NA表达。发现四逆汤可以有效抑制异丙肾上腺素所致的大鼠心肌纤维化,其机制可能与下调Smad2表达和上调Smad7表达有关。
3调解NO从而保护心肌细胞
    目前研究认为,在基础状态下血管内皮细胞NO释放对维持心血管系统处于恒定的舒张活性状态,调节血压,调节冠状动脉基础张力和心肌血流灌注有重要作用。
    刘艳等发现四逆汤可使急性失血性休克大鼠血中NO含量则明显升高。
    钱国强等  用实时荧光定量PCR方法分析各组心肌组织iNOSmRNA,eNOS(细胞内皮型一氧化氮合酶)mRNA表达的变化,各组大鼠血清中CK—MB、NO的水平变化的方法,发现当归四逆汤有效成分组合缺血预处理对心肌起到了保护作用,其机制与上调eNOS,下调iNOS表达,从而调节NO产生有关。
    还有学者推测,四逆汤之所以能诱导心肌延迟预适应,可能与丝裂原活化蛋白激酶p38的激活有关。p38MAPK的激活与PKC的激活紧密相连,而PKC的激活又与NO的含量呈正相关。 
4对细胞因子的作用
    至慢性心力衰竭是多种心血管疾病的终末表现。心衰代偿期,心排血量减少,交感神经系统,肾素一血管紧张素一醛固酮系统(RASS),下丘脑一垂体系统均被激活,炎性细胞因子如TNF-a 、IL-1B分泌增多,对心血管系统功能的维持具有一定作用。在充血性心力衰竭(CHF)时,机体常伴随着免疫激活和炎症反应,其中趋化因子作为一类重要的炎症介质参与了疾病的发展过程。此外,最初在1986年美国麻省理工学院癌症研究中心的Baltimore和麻省Whitehead生物医学研究所的Rwiansen发现的近年研究发现的重要核转录因子NF-KBt在信号转导途径所介导的炎性反应及其与细胞凋亡的关系,在心力衰竭发病机制中起着重要的作用。
    黄波等 一用卡托普利做阳性对照药,与心衰模型组比较,使用四逆汤及卡托普利均能降低心衰模型大鼠BNP(血清中脑钠素)及IL-6水平。
    CaN(钙调神经磷酸酶)作为细胞内Ca2’敏感的信号物质,在心衰的发展中起重要作用。实验揭示心肌细胞内存在一条新的致心功能恢复的信号转导通路,即CaN—NFAT3(活化T细胞核因子)信号转导通路  ,而细胞内Ca2’升高是启动这条信号通路的起始信号  。当胞内Ca2’增高时,CaN可使核转录因子NFAT3脱磷酸,使之转位人核,再与另一转录因子GA.TA4相互作用,最终引起心功能恢复。  
    苗维纳等   研究了四逆汤对细胞信号因子的影响,从而发现了其抗心衰的作用机制。他们通过实验检测了心肌组织CaN活性、去磷酸化NFATc蛋白的相对表达、钙含量、及IL-2和IL-4的含量,从而发现四逆汤对细胞Ca2’一钙调神经磷酸酶一活化T细胞核因子(ca“/CaN—NFATc)信号转导通路。而且IL-2及IL-4的含量显著减低,说明四逆汤在治疗心力衰竭过程中降低IL-2、IL-4含量起了关重要的作用。
    对血管的保护作用
1对肾性高/lltN的作用
    有研究表明,四逆汤可能通过调节肾性高血压大鼠心、脑、肾内血管活性物质的表达及其血液内的有效含量,而发挥血压调节作用。郭云良等通过研究表明,sT组大鼠血压明显低于。肾性高血压组。大鼠血清NO、血浆CGRP(降压素基因相关肽)和ET(内皮素)含量四逆汤组均明显高于肾性高血压组,大鼠心、肾ETRA(组织内皮素受体A)表达水平四逆汤组均明显低于肾性高血压组。
2对动脉粥样硬化的影响
    研究表明,神经酰胺作为第二信使在细胞功能的调节中有重要作用,并认为它是细胞程序性死亡的胞内信号。细胞凋亡在动脉粥样硬化形成起着重要作用。四逆汤可明显缩小主动脉内膜脂质斑块面积,降低动脉组织神经酰胺浓度,减少血管壁细胞凋亡的数量,具有较好的抗动脉粥样硬化的作用。
    用胆固醇高脂饮食喂养新西兰大白兔后观察主动脉病理、主动脉粥样硬化斑块面积、血脂及血浆丙二醛含量,发现四逆汤可显著缩小主动脉斑块面积与及厚度;降低血清TC、TG、LDL-C、apoB,降低丙二醛的含量。四逆汤低剂量组效果优于四逆汤高剂量组。 
    黄河清等  研究发现,四逆汤能增加血流中的NO含量,减少血清中的ET含量,通过抑制血小板的黏附聚集及白细胞黏附、扩张血管等抑制血栓形成。还有研究表明,四逆汤可抑制动脉损伤后血管平滑肌细胞(VSMCS)增殖,诱导VSMCS凋亡。 
3对脑缺血的作用
    颜建云等  应用大鼠大脑中动脉局部阻塞(MCAO)模型,观察四逆汤对脑缺血大鼠的神经功能、丙二醛(MDA)和神经酰胺含量、超氧化物歧化酶(SOD)活性以及bax、bcl-2表达的影响,发现四逆汤组脑含水量、MDA含量、神经酰胺含量、bax基因在转录和翻译水平的表达明显低于缺血模型组,神经功能评分、SOD活性、Bcl-2蛋白的表达高于缺血模型组。
    结    语
    四逆汤为回阳救逆急救的千古良方,在临床中可用于治疗各种原因所致的休克,对心力衰竭、心肌梗死等心源性休克尤为适宜,亦可用于肺心病、肺炎、中毒性休克以及脱水所致的虚脱,血压下降;其次,消化系统的某些疾病如慢性腹泻、慢性痢疾、胃下垂以及垂体、甲状腺及肾上腺皮质功能低下等皆可用此方治疗,对放射性白细胞减少症、肝脓肿、复发性口腔炎、咳喘等辨证属于虚寒的急慢性疾病,均有良好疗效。随着病理生理研究的不断深入,四逆汤以其疗效确切,组方简单,因而对其作用机制的研究也较深入。四逆汤很多的作用机制还有待进一步明确,其现代疾病的临床应用相信也会随着越来越深入的药理机制的研究得到更广泛的应用。
日期:2013年7月15日 - 来自[药物与临床]栏目

徐书华小组研究揭示汉族人和日本人基因表达谱差异

 

本报讯(记者黄辛)中科院上海生科院计算生物学研究所徐书华研究组在最新研究中,首次揭示了汉族人与日本人之间在转录水平方面的差异,并估计了遗传变异对人群基因表达谱差异的贡献率。有关专家认为,该研究有助于理解基因表达与遗传变异之间的联系,并为阐明近缘人群之间表型差异的分子机制提供线索。相关研究成果近日在线发表于《医学遗传学杂志》。

 

中国汉族人和日本人有共同的遗传起源,在外表形态上也存在很高的相似度。但是人们普遍的印象是,汉族人和日本人在外表上的差异似乎能被人眼识别出来。那么,从生物学的角度,汉族人与日本人之间究竟存在怎样的性状差异?有多少差异是由于环境差异导致的?有多少差异是由于遗传因素影响而产生的?

 

徐书华表示,要回答这些问题并不容易。一个主要的困难在于对视觉可见的最终表型如何度量和量化,而这一点在近缘人群中尤其具有挑战性。因此,研究组决定从可以大规模量化的一种中间表型——基因表达谱入手,对汉族人和日本人的全基因组表达谱芯片数据进行系统、细致的分析。

 

通过比较分析,研究人员鉴定出在两个人群之间存在高度表达差异的基因,发现其中某些差异表达基因与人体血液和生化特性有关,还有一些基因与人体身高以及某些疾病相关。

 

此外,研究人员还进一步估计了遗传变异对基因表达差异的贡献率,结果显示,对于在汉族人和日本人之间存在显著差异的基因表达,单个遗传变异的贡献在7%到43%之间。这些研究结果表明,汉族人和日本人的差异,不仅仅是地理、语言和文化等方面的区别,更是在生物学上存在的系统性差异,这些差异有可能通过自然科学研究手段精确量化并客观描述。

 

据悉,该研究工作得到了国家自然科学基金委员会、中国科学院、上海市科委、德国马普学会、香港王宽诚教育基金会等机构的资助。

 

《中国科学报》 (2013-06-20 第1版 要闻)

日期:2013年6月20日 - 来自[遗传与基因组]栏目
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计算生物学所揭示汉族和日本人之间的基因表达谱差异


6月4日,《医学遗传学杂志》在线发表了中科院上海生科院计算生物学研究所徐书华研究组的研究成果Identification of well-differentiated gene expressions between Han Chinese and Japanese using genome-wide microarray data analysis。该项工作首次揭示了中国汉族与日本人之间在转录水平的差异,并估计了遗传变异对人群基因表达谱差异的贡献率,有助于理解基因表达与遗传变异之间的联系,并为阐明近缘人群之间表型差异的分子机制提供了线索。

中国汉族和日本人有共同的遗传起源,在外表形态上也存在很高的相似性。然而,虽然亲缘关系如此紧密的两个人群在人体性状上的细微差异不易度量,但是人们普遍的印象是,汉族和日本人在外表上的差异似乎还是能被人眼识别出来,尽管大多可能仅仅是文化、行为上的差异以及由此导致的视觉上可以察觉到的差异。问题在于,从生物学的角度,汉族人与日本人之间究竟存在怎样的性状差异?有多少是由于环境差异导致的?有多少是由于遗传因素影响而产生的?

要回答这些问题并不容易,一个主要的困难在于对视觉可见的最终表型如何度量和量化,而这一点在近缘人群中尤其具有挑战性。鉴于此,徐书华研究组决定从可以大规模量化的一种中间表型——基因表达谱入手,对以上问题进行探索和探讨。这项研究正是这个课题的一部分工作。该研究对汉族人和日本人的全基因组表达谱芯片数据进行了系统和细致的分析。基因表达可能受到多种因素的影响,即使在同一人群的不同个体之间也存在显著波动,尽管如此,该项研究结果显示汉族人和日本人的基因表达谱存在整体上的差异。

与之对应的是,尽管汉族人与日本人在外表和遗传上都存在较大的相似性,但是从基因组的角度,汉族人和日本人可以得到很好的区分。该研究通过比较分析,鉴定出在两个人群之间存在高度表达差异的基因,通过对复杂性状关联分析数据库的搜索和基因功能注释,发现其中某些差异表达基因与人体血液和生化特性有关,还有一些基因与人体身高以及某些疾病相关。由于缺乏流行病学调查数据和最终表型数据,目前还不确定具体的联系和机制。该研究进一步估计了遗传变异对基因表达差异的贡献率,结果显示,对于在汉族人和日本人之间存在显著差异的基因表达,单个遗传变异的贡献在7%到43%之间。这些研究结果表明,中国汉族和日本人的差异,不仅仅是地理、语言和文化等方面的区别,而是在生物学上存在系统性的差异,这些差异是有可能通过自然科学研究手段精确量化和客观描述的。

计算生物学所袁媛助理研究员和博士生杨玲等实施了具体分析工作。

该研究工作得到了国家自然科学基金、中国科学院、上海市科委、德国马普学会、香港王宽诚教育基金会等基金的资助。

日期:2013年6月18日 - 来自[遗传与基因组]栏目

建基因“舰队” 逮致病凶手

新技术

  人类的生老病死,密码蕴藏在两万多条基因中,要搜寻导致患病的“凶手”基因,需要对这两万多条基因进行筛选,筛选过程则需要一条“船”去承载。姜长安率队开发“人类基因组表达载体文库”,“组建”了一支含有两万多个基因表达载体的“舰队”。

  成都财富新力量

  问候世界500强

  经过严格选拔,姜长安如愿当上2013成都财富全球论坛高端志愿者,他将在财富论坛期间,为世界500强高管提供一对一接待。

  姜长安,历经14年海外留学、科研生涯后,选择回国创业,现为四川大学华西第二医院教授兼成都灵动生物技术有限公司(以下简称灵动生物)技术总监。他率队开发了国内首创的“人类基因组表达载体文库”,已上报申请两项相关发明专利。该文库包含了人类绝大多数基因,相比国外同类产品,基因表达载体的构建更为方便快捷,该项目已于去年3月上市并开始盈利。去年,灵动生物的营业收入突破千万元,今年又新上市了转座子载体产品。

  研发首创

  两万多个基因

  装入他们“舰队”

  人类的生老病死密码蕴藏在两万多条基因中,要搜寻导致患病的“凶手”基因,需要对这两万多条基因进行筛选,筛选过程则需要一条“船”去承载。历经14年海外留学、科研生涯后归国创业,姜长安率队开发了“人类基因组表达载体文库”,“组建”了一支含有两万多个基因表达载体的“舰队”。

  2012年3月,姜长安的团队率先研发了“人类基因组表达载体文库”,用于在哺乳类细胞中瞬时转染表达人类基因,进行基因功能研究或特定性质基因的筛选。这一研发首次在不同用途的表达载体之间实现有效兼容,大幅度提高人类基因表达载体的构建速度,并已上报申请两项发明专利。

  “我们已将人类两万多个基因放在我们公司特有的表达载体中,可用于做功能基因的筛选。”姜长安介绍,“这样一个系统,同时使我们能快速满足每个客户对基因表达载体的特定需求。”

  “表达载体如一艘船,是基因在细胞里发挥功能的平台,在科研实验室、医药公司的药物研发中经常被用到。”据姜长安介绍,此前尚无国内公司经营自主研发的表达载体,通常由科研人员自行构建或高价从国外公司购买。

  创业背景

  看好发展前景

  在蓉开公司

  姜长安出生于浙江省江山市,本科就读于复旦大学生物化学系。之后,他前往美国犹他大学人类遗传学系留学,攻读博士学位,并先后进入美国加州理工大学生物系、加州大学洛杉矶分校神经学系进行博士后研究。留学期间,他得以与国际科研大师近距离接触,接受严谨、系统的科研训练。

  从朋友处获知四川大学华西第二医院正在筹建发育干细胞研究所时,姜长安做出一个重要决定回国做研究并寻找与实业结合的创业之路。离开祖国十多年后再回来,姜长安看到了国内巨大的发展空间和良好的创业环境,特别是成都给予的创业政策支持。他说,其实在回国之前,自己曾有在美国创业的想法,但比较国内外的创业环境后,最终决定将梦想的种子播种在成都。

  回国后,姜长安进入华西第二医院任职。机缘巧合下,结识了当时在一家世界500强化学及制药公司任业务负责人的刘畅。两人最终结为创业伙伴,以姜长安的科研创新实力,加上刘畅多年积累的客户资源,公司很快就筹建起来,并迅速成长。

  管理细节

  大管换小管

  解决酶的存放问题

  细节决定成败,在日常管理中,姜长安特别注重精细管理。实验用的内切酶,为保持活性,需要存放在零下20摄氏度环境里。但姜长安到成都后发现,成都的空气格外潮湿,每次取用时,水蒸气便会在储存管里积累,时间一长,稀释了酶液中的抗冻剂,导致酶液结冰,活力大大降低。为了解决这个问题,他最终将500微升的酶液分装成10个50微升的小管,减少使用中水蒸气的积累,解决了内切酶失活的问题。

  目前公司研发的“人类基因组表达载体文库”项目,目标客户主要是科研机构和大型生物医药公司。由于国内多数科研机构和公司倾向于购买国外基因表达载体,开发市场的初期,团队没少碰壁。

  现为灵动生物总经理的刘畅还记得,他曾经游说一家客户,使用公司的表达载体,以缩短载体构建时间,提高使用性能,从而将精力集中在实验主题上,但客户婉拒了。一次,客户因为无法自建一个特殊的表达载体,终于找到他,他如获至宝。两周时间内,他便带队拿出产品。最终,这家客户成为了灵动生物的大客户。

  创新模式

  “平台”式系统服务

  引导消费习惯

  在以尖端技术提供廉价高效服务的同时,公司也在不断改进产品销售模式。姜长安提倡建立“平台”式的系统服务,即不只是零散的小部件服务,“就像乔布斯坚持自建苹果系统平台,引导着消费习惯,引领时尚潮流。”

  2012年12月,由灵动生物与全球知名医药化工企业德国默克集团旗下默克密理博合作开办的默克密理博客户卓越体验中心,正式入驻成都高新区。该中心配备了肿瘤研究、HIV监测、药物研发筛选、干细胞治疗研究、白血病治疗研究、重大传染病防治等领域的国际领先研发设备及相关技术服务团队。姜长安于2012年入选了高新区高层次创新创业人才计划、“成都人才计划”,又于近日入选四川省“百人计划”。

  生物医药创新型企业普遍研发时间长,投入成本巨大,但灵动生物科技有限公司采用代理成熟品牌产品进行过渡。主打创新型项目“人类基因组表达载体文库”已于2012年3月上市并开始盈利。去年公司的营业收入翻番,突破千万元,今年又新上市了转座子载体产品。

  2013成都财富全球论坛即将启幕,姜长安报名并如愿当上高端志愿者,他将在财富论坛期间为世界500强高管提供一对一接待,为财富论坛贡献自己的一份力量。

日期:2013年5月24日 - 来自[技术要闻]栏目
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上海巴斯德所发现决定炎症因子IFNg表达的新调节通路

4月22日,国际学术期刊Journal of Biological Chemistry在线发表了中科院上海巴斯德研究所李斌课题组的研究论文,题为TIP60 Positively Regulates ThPOK-Mediated Repression of Eomesodermin in Human CD4+ T Cells。本研究揭示了一个抑制炎症因子IFNg转录表达的TIP60-ThPOK-Eomes信号通路。在炎症情况下该通路反向调控CD4+ T细胞表达I型促炎症因子IFNg的功能。本发现对进一步深入理解炎症微环境中人源CD4+ T细胞功能动态调节具有重要指导性意义。

研究人员前期研究发现,决定调节性T细胞(Treg)中FOXP3转录活性的关键性调控蛋白TIP60, 主要在CD4+ T细胞中表达。作为蛋白乙酰转移酶,TIP60还与CD4+ T细胞中许多其他关键性转录调控蛋白形成不同的转录复合体,并通过促进转录因子蛋白或组蛋白的乙酰化,从而激活或抑制基因转录。理解炎症条件下CD4+T细胞内关键性转录因子的调节机制,将为病毒感染及肿瘤相关疾病治疗提供新的药物靶点及临床干预手段。

ThPOK作为CD4+ 辅助性T细胞高表达的关键性转录因子,其转录活性对CD4+ T细胞分化及功能至关重要。例如,ThPOK通过下调转录因子Eomesodermin (Eomes) 的表达从而抑制Th1型促炎症因子 IFNγ的表达,但其分子机制尚不清楚。在本研究中,博士研究生李扬扬等在李斌研究员的指导下发现在TCR信号刺激条件下,内源性TIP60可以和ThPOK结合形成蛋白复合体。TIP60乙酰化修饰ThPOK蛋白的第360位赖氨酸位点,进而增强了ThPOK蛋白的稳定性。在CD4+ T细胞中沉默TIP60基因表达,会导致ThPOK蛋白的快速降解,这表明TIP60蛋白是稳定ThPOK所必需的调控因子。其外,转录因子ThPOK直接结合于Eomesdermin基因启动子区,调控其基因转录。过表达ThPOK能够抑制Eomes在Jurkat细胞中的转录;其外荧光素酶报告基因实验也证实ThPOK可以抑制Eomes 启动子的活性。本研究首次揭示TIP60和ThPOK协同作用抑制了Eomes-IFNγ信号通路,从而限制Th1型炎症反应。

该研究获得了中国科学院上海生命科学研究院优秀青年人才领域前沿项目、国家自然科学基金、上海市科委青年科技启明星计划等项目经费支持。

日期:2013年5月2日 - 来自[技术要闻]栏目

两篇Cell文章:小饮食,大健康

有时候你就是无法抵御一小块巧克力蛋糕的诱惑。甚至最有健康意识的人也会发现自己时常沉迷于垃圾食品。来自麻省大学医学院的科学家们在新研究中指出了一种惊人的可能性:即便是少数几次这样偶然的放纵也可能会显著地改变基因表达,对生理和健康造成负面影响。  

在发表于《细胞》(Cell)杂志上的两篇论文中,麻省大学医学院的分子医学教授、系统生物学项目联合主任A.J. Marian Walhout博士,描述了饮食与代谢和生理机能的关联机制。利用线虫,Walhout博士和同事们观察了不同的饮食如何导致了与重要生理改变相关联的基因表达差异。 

Walhout 说:“简言之,我们发现当线虫被喂食不同类型的细菌时,它们显著改变了基因表达程序,导致了重要的生理改变。相比于喂给标准实验室大肠杆菌饮食的线虫,喂给天然从毛单胞菌饮食的线虫后代较少,寿命更短,发育更快。

在第一篇文章中,Walhout和同事们发现,两种饮食之间线虫基因表达存在至少87种改变。令人惊讶的是,这些改变不依赖于TOR和胰岛素信号通路,在营养控制组,基因表达程序一般活跃。反而控制蜕皮的一种调控因子,至少一定程度上发生了改变。蜕皮是决定线虫发育和生长的一种基因程序。这揭示了饮食、基因表达和生理之间的一个关键联系。 

论文的第一作者、Walhout 实验室博士后Lesley MacNeil 说:“重要的是,在线虫中受到饮食影响的相同调控因子,在人类中控制了昼夜节律。我们已经知道昼夜节律受到饮食的影响。这为我们现在能够利用线虫研究饮食、基因表达、生理之间的复杂联系,和它们与人类疾病的关系,指出了可能性。” 

值得注意的是,Walhout和同事们观察到,甚至在大肠杆菌饮食中加入少量的从毛单胞菌,也会显著地改变基因表达和生理。这些结果提供了一种诱人的可能:某些饮食可能是“不健康的”,但在不同的情况下,将特定数量的某些食物加入其中可能会导致不同的生理后果。 

“准确来讲,就是将少量的‘健康’食物加入到不健康的饮食中,可能会引起有益的基因改变,导致深远的生理影响,”Walhout说。

通过其他的研究,Walhout实验室进一步探讨了利用线虫作为模式系统,解答关于人类疾病与饮食治疗复杂问题的可能性。在第二篇文章中,Walhout和同事们发现与线虫代谢相关的基因表达受到破坏,可导致代谢失衡,干扰动物的饮食反应;这一结果有可能与治疗一类人类遗传疾病有着直接相关性。 

第二篇Cell论文的共同第一作者、Walhout 实验室博士生Emma Watson 说:“为了更好地了解饮食影响线虫基因表达的分子机制,我们进行了遗传筛查,寻找导致一种饮食异常反应的基因。我们发现,一个大的代谢和调控基因网络整合了内部细胞营养需求和失衡。然后这一信息被传递到线虫信息处理基因,控制动物适当反应。” 

这些研究结果表明,存在一个遗传调控网络促进了对内部生理和外部环境信号的快速反应,来维持线虫中的代谢平衡。有趣的是,一种相似的现象也与导致人类先天代谢疾病的一些突变相关;编码某些酶的基因发生缺陷导致了数种遗传疾病。这些酶可帮助将营养物转换成了细胞中可用的材料。通过饮食干预,避免累积毒素,补充患者耗竭的代谢物通常可对这些疾病进行治疗。 

根据Walhout博士所说,利用线虫中这一遗传调控网络,或许还可以比较如何利用某些饮食疗法来缓解这些代谢疾病。也可能用于筛查能够获得与饮食治疗相同结果的,药物或其他小分子。  

虽然Walhout和同事们是在线虫中试图解答一个基本的饮食问题,他们获得的答案直接与人类的疾病和治疗相关,因此确立了线虫作为一种模式系统,来阐明饮食反应、先天代谢疾病和它们之间相互联系。 

“因为许多原因,解答人类饮食、基因表达和生理之间的复杂相互影响非常的困难。现在我们利用一种非常易于处理的系统——线虫提出了一些关于饮食中的哪些成分可以影响基因表达、生理性状,以及最终导致人类疾病等问题,”Walhout说。

日期:2013年4月3日 - 来自[技术要闻]栏目
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研究称DNA表达水平可控

为了重现生物变化过程,合成生物学家在设计合成DNA时,希望能够找到其中可预测的活动。发表在《自然—方法学》上的两篇研究报告提出如何首次评估当前各生物环节的特点以及如何设计能够可靠实现的生物要素。Drew Endy、Adam Arkin等人通过两项研究解决了生物要素的可靠性问题。首先他们引入一种统计体系来评估细菌转录和转译控制要素的特点,对每一生物要素指定一个分数以预测其不同环境下的表现。然后他们设计一个控制要素以测定关键基因在1000倍动态范围下仍能够可靠发挥作用的基因表达。这些方法将担负起整个合成设计过程中的大部分预测工作。一旦大量生物过程要素被确定出来,研究人员就更有信心选择他们所需要的生物要素来实现所想要的表达水平,而不用担心受到周围DNA的干扰甚至抑制。

日期:2013年3月29日 - 来自[遗传与基因组]栏目
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