主题：分化

    柏科植物智利柏和西伯利亚刺柏虽然距离遥远,但它们有共同的祖先,它们的祖先生活在一亿六千万年前的联合古陆上。那时的地球只有这一大片陆地,气候相对稳定、温和,陆地不同地域生长着几乎相同的生物种类。后来,联合古陆逐渐分离成几个大陆板块,各板块之间相互隔离,气候条件也有了很大的差异,生存在这些大陆上的生物开始朝着不同的方向进化。柏科植物也不例外,他们的祖先在各自的“新家”开始逐渐分化,并演化为裸子植物门中属的数目最多的一个科。

    真的是这样吗？5月1日,《美国科学院院刊》在线发表的一篇论文详细论证了这一假说——柏科植物随联合古陆的分离而发生隔离分化。这篇论文由兰州大学刘建全教授课题组及其国际研究团队完成。

    他们的研究表明,柏科在三叠纪早期(约两亿四千万年前)起源于联合古陆东北部,自三叠纪晚期至侏罗纪晚期(约两亿一千万年前至一亿五千万年前)逐渐扩散至联合古陆南、北部并分化为现有的七个亚科。柏科最年轻的两个亚科为分布于南半球的澳洲柏亚科和主要分布于北半球的柏木亚科,二者在侏罗纪晚期前后(一亿五千三百万年前后)开始演变为不同的进化分支,这一时间与联合古陆南北隔离的时间高度吻合。同时,计算机模拟分析祖先分布区域的结果,支持柏科两大亚科分化与联合古陆南北分离存在直接关联。

    在众多具有久远进化历史的植物中,为何选择柏科植物做样本?论文的第一作者、兰州大学毛康珊博士告诉记者,在种子植物中,柏科是开展类似研究的理想或唯一类群。首先,柏科植物遍布除南极洲外所有大陆;其次,化石记录表明,中侏罗纪时该科已起源并广布于联合古陆南、北部;第三,柏科现有类群多样性相对较高,其化石记录非常丰富,从而为多化石标记隔离分化时间提供了基础。不可忽视的是,柏科植物的种子对当时的动物没有太大的吸引力,不会因为动物传播而改变类群分布。

    在过去10年中,该国际合作团队进行了广泛取样,在全世界获得了柏科122个物种的实验样品,利用植物三套基因组的近万个DNA碱基序列进行系统发育分析,建立了该科最为完善的分子系统发育关系,然后利用全证据分析确定了16个化石标记点。在此基础上计算了各主要分支的分化时间,并检验了其生物地理式样的形成过程。

    该论文在匿名评审过程中得到了国际同行的一致好评:“毛康珊等作者的论文将会引起科学界的广泛关注,该研究利用柏科细致揭示了联合古陆分离的历史,这在种子植物中尚属首例。”“这是一篇十分有趣和重要的论文,其展现的大量数据和相关分析使人印象深刻。”论文一经发表,立即被多家国际知名媒体报道,并被大量转载,掀起了一股关于联合古陆演化历史和进化生物学的科普热潮。

    课题组负责人、论文通讯联系人兰州大学刘建全教授表示,这篇论文为古陆分离说和达尔文生物进化论提供了有利佐证。

基因的重复和分化为生物的演化提供了原材料。重复基因的分化可以发生在调控区或者编码区。发生在编码区的、能够导致功能分化的突变大体上分为两类，即非同义替换和内含子-外显子结构变化，前者导致同源位点上的氨基酸替换，后者则引起氨基酸的插入和缺失。作为点突变的一种方式，非同义替换的机制、速度和后果都已比较清楚。但是，相对而言，人们对内含子-外显子结构分化的研究尚不深入。
继2007和2009年发现内含子-外显子结构分化对重复基因分化的贡献之后，系统与进化国家重点实验室孔宏智研究组对这一问题进行了进一步的研究。通过深入分析612对重复基因（即旁系同源基因）和300对非重复基因（即直系同源基因），该研究组不但再次确认了内含子-外显子结构分化在重复基因分化中的普遍性和重要性，而且发现了导致结构分化的三类主要机制（即插入/缺失、外显子化/假外显子化和外显子/内含子获得/丢失）发生的频率及其对结构和功能分化的作用各不相同。
有意思的是，与分化时间大致相当的非重复基因相比，重复基因经历和积累了明显更多的结构分化，说明结构分化对重复基因分化的贡献更大，是导致新功能和新基因快速产生的主要原因。
该研究对于理解基因进化的基本式样以及新功能、新基因和新性状产生的分子机制等基本生物学问题具有重要意义。
上述研究结果于1月9日在《美国国家科学院院刊》（PNAS,  2012,  doi:10.1073/pnas.1109047109）上在线发表。该研究得到国家科技部和国家自然科学基金委的资助。

在骨髓中，造血干细胞变成众多类型血细胞中的一种，或者它们能够自我更新从而维持造血干细胞池(pool)。美国贝勒医学院(Baylor  College  of  Medicine)干细胞和再生医学中心相关科研人员领导的一个研究小组发现一种称作Dnmt3a(DNA  methyltransferase  3a,  即DNA甲基转移酶3a)的基因丢失或发生突变导致干细胞大量存在和血细胞缺乏。2011年12月4日，该研究成果在线发表在《自然-遗传学》期刊上。该中心主任Margaret  Goodell是一名儿科血液学与肿瘤学教授，他说，这一发现可能对一些患有急性髓细胞样白血病(acute  myeloid  leukemia)的人们而言带来启示。根据2010年12月16日发表在《新英格兰医学期刊》(New  England  Journal  of  Medicine)杂志上的一篇文章《急性髓细胞样白血病发生DNMT3A基因突变》(DNMT3A  Mutations  in  Acute  Myeloid  Leukemia)，很多患有这种疾病的病人在该基因上发生突变。
贝勒医学院细胞和基因治疗中心、得克萨斯儿童医院和卫理公会医院讲师Grant  Challen博士说，“含有大量干细胞的小鼠机体功能似乎运转正常，它们没有患上白血病”。然而，他和Goodell猜测可能需要发生第二个事件才能导致癌变。他们说，小鼠可能不能存活足够长的时间而不会经历第二个事件。患有这种疾病的大多数人都在60岁以上。
当一个干细胞收到告诉它进行分化的信号时，它需要某些基因以便停留在干细胞状态。在它能够分化之前，Dnmt3a必须对这些基因进行甲基化，即将一个甲基基团添加到基因上阻止基因转录为RNA，也就阻止相应蛋白表达，通过这种方式让基因失活。如果细胞缺乏功能性的Dnmt3a，它将很难战胜这些障碍进行分化。
Goodell说，该基因可能也涉及骨髓异常增殖综合症(myelodysplastic  syndrome)，该疾病的特征在于骨髓中存在大量的干细胞样细胞。患有这种疾病的病人因红细胞缺乏而有贫血症，同时也他们的免疫系统也存在缺陷。10%的患这种病的病人在Dnmt3a基因上也存在突变。
这种在小鼠实验上获得的基本科学发现可能解释急性髓细胞样白血病和骨髓异常增殖综合症上发生的一些情况，也可能为未来治疗提供一个靶标。

美国加州大学伯克利分校神经科学家们发现一种能让鼻子更新它的嗅觉感受器(smell  receptor)的触发型基因(genetic  trigger)  p63，从而为由于创伤或年龄大而丧失嗅觉的人们提供希望。
这种基因指示嗅干细胞(olfactory  stem  cell)---鼻子中成体组织干细胞---分化成熟为感觉神经元(sensory  neuron)，而且这些神经元能够探测气味并把这种信息传递到大脑。
作为首席研究员的神经学家约翰-恩盖(John  Ngai)说，“嗅觉丧失症(anosmia)在我们的老年人群中是一种没有得到充分评估的公众健康问题。很多人丧失吃的欲望，而这会导致营养不良，因为品尝味道的能力依赖于我们的嗅觉，但是嗅觉经常随着年龄的增大而下降。”
他说，“一个原因可能是当一个人变老时，嗅干细胞衰老，很少能够替换成熟细胞，或者可能是它们只是枯竭了。因此，如果我们有一种方法促进干细胞主动地自我更新，我们可能更好地能够替换这些丢失的细胞并维持感觉功能。”
美国费城莫耐尔化学感官中心(Monell  Chemical  Senses  Center)主任加里-伯查(Gary  K.  Beauchamp)，虽然不是该研究小组的成员，但是他已注意到嗅觉系统因为它能在受损或某些疾病之后再生而引人注目。
伯查说，“这篇新论文对这种再生的一些内在基因机制呈现一种优雅的分析。它也提供一些重要启示：最终应当能够允许临床医生改善再生能力，而且在一些情形中因为未知的原因，嗅觉丧失似乎是永久性的，能够诱导再生，或者甚至当一个人变老时阻止功能丧失。”
恩盖说，这一发现可能也有助于科学家们去更好地利用嗅干细胞和在其他感觉系统发现的干细胞来恢复损伤或退化性疾病之后的感觉功能。
2011年12月8日，恩盖、博士后青年罗塞尔-弗莱彻(Russell  B.  Fletcher)和他们的加州大学伯克利分校同事在《神经元》(Neuron)期刊上发表了这些研究成果。
自我更新或分化
在鼻子中，嗅感觉神经元(smell  sensory  neuron)只能存活大约30天，然后它们被新细胞替换。这些新细胞是由嗅上皮(olfactory  epithelium)中的成体干细胞产生的。恩盖说，一个关键问题就是是什么指示这些干细胞分裂为新细胞---一种称作自我更新的过程---或者分化为具有全部功能的感觉神经细胞(sensory  nerve  cell)和对维持嗅觉功能至关重要的其他细胞。
恩盖说，“在损伤之后，这些干细胞能够重构鼻子全部感觉上皮组织，因此理解这些干细胞如何工作对于理解鼻子中发生的再生过程是非常重要的。”
弗莱彻和恩盖在鼻子上皮细胞中筛选起调节作用的基因，而且发现一种基因p63---人们已知它是一种转录因子，起着调控诸如皮肤、气管衬里、前列腺之类组织上的上皮干细胞其他调节性基因转录。通过敲除小鼠p63基因，他们显示鼻嗅干细胞以它们自己为代价快速地分化为感觉神经元。
弗莱彻说，“这种基因产生一种分子，对干细胞起着类似车闸那样的作用。当车闸打开时，干细胞自我更新。当人们移除这种车闸时，干细胞进入分化。”
利用药物调控p63，或者调节p63依次调控众多基因中的一个，可能能够提高鼻干细胞数量和分化成熟为嗅神经元的细胞数量。
恩盖注意到，因为在很多上皮组织中发现p63，这些发现将也可适用于其他成体组织干细胞---包括皮肤干细胞---而且也可能用于开发出未来的治疗性“细胞替换”策略来替换身体上不仅神经系统和而且其他上皮组织中的受损或死亡的细胞。

iPS研究由于在未来临床应用的的无限可能，而吸引了全球不少实验室的科学家们，来自中科院健康科学研究所干细胞生物学重点实验室的研究人员发表了题为“Ascorbic  acid  enhances  cardiac  differentiation  of  induced  pluripotent  stem  cells  through  promoting  the  proliferation  of  cardiac  progenitor  cells”的文章，报道了诱导多能干细胞iPS细胞在临床上转化应用的最新成果——建立了简单经济的高效诱导iPSCs向心肌细胞分化的体系，并发现细胞外微环境在多能干细胞分化过程中的重要作用。相关成果公布在Cell  Research杂志上。
  
这项研究由干细胞生物学重点实验室分子心脏学课题组杨黄恬研究组完成，第一作者博士研究生曹楠。其中杨黄恬研究员早年毕业于南通医学院，之后获得日本山形大学医学部博士学位，目前任中科院上海生命科学院博士生导师。
  
诱导多能干细胞(induced  pluripotent  stem  cells,  iPSCs)分化的心肌细胞对于药物筛选、心肌再生医学及其心脏发育生物学的研究均具有重要意义，并是研究人类心脏疾病提供了独特的体外模型。然而iPSCs的自发心肌细胞分化效率极低且分化的心肌细胞功能也相对的不成熟，各系之间的分化潜能差异大，因此，明确其定向分化的关键环节和调控机制，并建立稳定高效、经济简便地诱导iPSCs分化为所需的功能心肌细胞是研究其应用价值的关键前提之一。
  
在这篇文章中，研究人员采用中科院动物所、上海生命科学院生化与细胞所、健康所、广州生物医药与健康院建立的11株不同的iPSCs系统筛选了16种心肌细胞分化诱导物，发现只有抗坏血酸(ascorbic  acid,  AA)表现出一致和高效的诱导iPSCs向心肌细胞分化作用。通过比较不同浓度和不同分化时段AA的处理，建立了简单经济的高效诱导iPSCs向心肌细胞分化的体系，可将小鼠和人iPSCs向心肌细胞的分化效率分别提高了约7.3倍和30.2倍，并明显缩小了不同iPSCs系间，包括不具有自发心肌细胞分化潜能的iPSCs间心肌细胞的分化差异。
  
进一步的机制研究发现，AA促进心肌细胞分化作用是通过增强胞外胶原的分泌，从而激活MEK-ERK1/2  pathway，进而特异性地促进心肌前体细胞增殖而实现的。此外，通过结构和功能分析发现，AA诱导产生的心肌细胞表现出更为成熟的电活动和钙活动特征，其肌丝排列更为规律有序，对于重要的心肌细胞功能调控信号的反应性也明显增强，表明AA促进了iPSCs分化的心肌细胞的成熟度。该研究发现进一步揭示了细胞外微环境对于多能干细胞向心肌细胞分化和心肌前体细胞的增殖具有重要的调控作用，所建立的简便经济的高效诱导小鼠和人iPSCs向心肌细胞分化的体系，有助于iPSCs在心脏疾病发生、药物筛选以及心脏再生医学方面的应用研究。
  
值得关注的是，另外近期在心肌细胞逆转化研究方向也获得了新成果：研究人员发现心肌细胞逆转化过程中发挥关键作用的蛋白。研究人员利用心肌梗死小鼠模型，证实了一种心脏组织中的oncostatin  M蛋白能刺激了受损心肌组织修复。这一发现或可帮助研究人员实现心脏的自我修复。（来源：生物通）

来自中科院上海生科院生化与细胞所的研究人员发表了题为“Downregulation  of  the  transcription  factor  KLF4  is  required  for  the  lineage  commitment  of  T  cells”的文章，揭示了转录因子KLF4调控早期T细胞分化定向的新机制。相关成果公布在Cell  Research杂志上。
领导这一研究的是上海生科院生化与细胞所刘小龙研究员，其早年毕业于南昌大学，曾在美国国立癌症研究所从事博士后研究工作，2004年入选中国科学院“百人计划”，现任上海生命科学研究院生物化学与细胞生物学研究所研究员，研究组长。
已有研究表明，小鼠体细胞可以通过外源表达四个转录因子Klf4、Oct4、c-Myc、Sox2而诱导生成多潜能干细胞（iPS）。这些转录因子通过调控细胞转录网络来维持ES细胞的多潜能性和自我更新能力。但是，到目前为止仍然不够清楚的是，这四个转录因子在成体干细胞以及其向特异的细胞谱系分化时是否具有功能。
最近刘小龙研究组的博士研究生温晓敏等研究发现，在造血干细胞（HSC）分化为T细胞的过程中Klf4的表达发生特异变化，在向T细胞分化前持续表达，但是在向T细胞分化时Klf4表达则被关闭。在胸腺细胞中强制表达Klf4会严重影响DN2到DN3的分化进程，而此时正好是决定多潜能的胸腺祖先细胞是否最终定向分化为T细胞的关键时刻。
强制表达Klf4会影响众多T细胞分化关键调控因子的表达，包括胸腺微环境信号分子（IL-7Ra）、Notch靶标（Deltex1）和转录调控因子（Bcl11a、SpiB、Id1）等。强制表达Klf4还会影响TCRb基因的DNA重排以及胸腺细胞的存活，但是仅引入TCR转基因并不能弥补其造成的分化缺陷。而通过恢复IL-7Ra的表达则能在一定程度上弥补在Klf4转基因鼠中存在的DN1-DN2  和DN2-DN3分化缺陷。该研究不仅揭示下调Klf4表达对于T细胞的早期分化定向极其重要，同时也拓展了对于参与重编程的这四个转录因子在细胞分化过程中所具有特定功能的理解。
除此之外，刘小龙研究组今年还在EMBO  Journal杂志上，揭示了丝氨酸/苏氨酸激酶LKB1调控T细胞抗原受体(TCR)信号转导和胸腺细胞阳性选择的分子机制。他们发现LKB1能调控胸腺细胞的阳性选择，这不仅揭示了LKB1调控胸腺细胞分化成熟的新功能，还表明LKB1能够响应并转导细胞外信号。
（生物通：万纹）
11月22日，Cell  Research在线发表了中科院上海生命科学研究院生化与细胞所刘小龙研究组的研究成果Downregulation  of  the  transcription  factor  KLF4  is  required  for  the  lineage  commitment  of  T  cells。该工作揭示了转录因子KLF4对早期T细胞分化定向的调控机制。
已有研究表明，小鼠体细胞可以通过外源表达四个转录因子Klf4、Oct4、c-Myc、Sox2而诱导生成多潜能干细胞（iPS）。这些转录因子通过调控细胞转录网络来维持ES细胞的多潜能性和自我更新能力。但是，到目前为止仍然不够清楚的是，这四个转录因子在成体干细胞以及其向特异的细胞谱系分化时是否具有功能。
最近，刘小龙研究组的博士研究生温晓敏等研究发现，在造血干细胞（HSC）分化为T细胞的过程中，Klf4的表达发生特异变化，在向T细胞分化前持续表达，但是在向T细胞分化时Klf4表达则被关闭。在胸腺细胞中强制表达Klf4会严重影响DN2到DN3的分化进程，而此时正好是决定多潜能的胸腺祖先细胞是否最终定向分化为T细胞的关键时刻。强制表达Klf4会影响众多T细胞分化关键调控因子的表达，包括胸腺微环境信号分子（IL-7Ra）、Notch靶标（Deltex1）和转录调控因子（Bcl11a、SpiB、Id1）等。强制表达Klf4还会影响TCRb基因的DNA重排以及胸腺细胞的存活，但是仅引入TCR转基因并不能弥补其造成的分化缺陷。而通过恢复IL-7Ra的表达，则能在一定程度上弥补在Klf4转基因鼠中存在的DN1-DN2  和DN2-DN3分化缺陷。
该研究不仅揭示出下调Klf4表达对于T细胞的早期分化定向极其重要，同时也拓展了对于参与重编程的这四个转录因子在细胞分化过程中所具有特定功能的理解。
该研究工作得到国家自然科学基金委，科技部和上海市科委的经费支持。