研究成果以“Microbial?ecosystem?and?ecological?driving?forces?in?the?deepest?ocean?sediments”為題發(fā)表在《Cell》雜志上。百邁客生物為該研究提供了測序服務(wù)。

Microbial ecosystem and ecological driving forces in the deepest ocean sediments

研究背景

深淵區(qū)（水深超6,000米，或根據(jù)聯(lián)合國教科文組織定義為水深超過6500米）占海洋垂直深度的45%，以極端高壓（110兆帕）、低溫（接近冰點(diǎn)）、黑暗及有機(jī)質(zhì)稀缺為特征。盡管環(huán)境嚴(yán)酷，這里卻孕育了獨(dú)特的生物群落，如凝膠狀魚類、端足類甲殼動(dòng)物及依賴化能合成的微生物。這些生物通過基因和代謝途徑的適應(yīng)性進(jìn)化，成為研究生命極限的范本。

從1960年起，人類對(duì)深淵的探索歷程一直伴隨著巨大的代價(jià)和犧牲，也為現(xiàn)代深淵研究奠定了基礎(chǔ)。直至中國“奮斗者號(hào)”全海深載人潛水器的出現(xiàn)（2020年創(chuàng)下10,909米下潛紀(jì)錄），深淵科考進(jìn)入新階段。其220公斤有效載荷、高速水聲通信系統(tǒng)及高國產(chǎn)化率，顯著提升了采樣精度與效率。

研究內(nèi)容及結(jié)果

構(gòu)建首個(gè)海洋最深生態(tài)系統(tǒng)圖景

上海交通大學(xué)肖湘團(tuán)隊(duì)，作為全球深海高壓微生物領(lǐng)域極少數(shù)至今在研的科學(xué)團(tuán)隊(duì)，與中國科學(xué)院深海科學(xué)與工程研究所等國內(nèi)多家科研單位共同參加了“奮斗者”號(hào)載人潛水器TS21航次，探索了馬里亞納海溝、雅浦海溝和菲律賓海盆6000-11000米水深區(qū)域，其中雅浦海溝最深點(diǎn)為人類首次探索，采集了包括水體、沉積物、宏生物、巖石等千余份樣本。

通過對(duì)采集的1，648份沉積物樣本進(jìn)行宏基因組測序，研究人員鑒定7,564個(gè)原核微生物物種，其中89.4%為未報(bào)道的新物種，這說明深淵微生物具有超乎想象的物種新穎性，盡管深淵調(diào)查區(qū)域的面積不足全球海洋的億分之一，其物種多樣性與已知的全球海洋微生物多樣性相當(dāng)，說明在最深海域超高壓下微生物異常繁榮。

為解釋深淵微生物的異常繁榮，肖湘團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一種新的基于宏基因組的生態(tài)分析流程，將環(huán)境生態(tài)驅(qū)動(dòng)過程與微生物基因組特征和代謝偏好結(jié)合起來，發(fā)現(xiàn)深淵微生物通過“精簡型”和“多能型”兩種截然不同的深淵環(huán)境適應(yīng)策略，支撐了高新穎性的微生物生態(tài)系統(tǒng)?；诖髷?shù)據(jù)對(duì)深淵微生物環(huán)境適應(yīng)的認(rèn)知，率先突破了國際深海高壓生命研究長達(dá)40年的瓶頸。

圖1.深淵微生物的超高新穎性和多樣性及其生態(tài)成因

構(gòu)建全球唯一的深淵微生物數(shù)據(jù)庫

“溟淵計(jì)劃”構(gòu)建的全球唯一的深淵微生物數(shù)據(jù)庫，總數(shù)據(jù)量與過去十年海洋微生物積累的總數(shù)據(jù)量相當(dāng)，研究發(fā)現(xiàn)的深淵微生物出人意料的超高新穎性和多樣性，展現(xiàn)了深淵生命的新資源潛能，可能幫助人類解決當(dāng)前面臨的常規(guī)環(huán)境生物資源枯竭的困境。

“溟淵計(jì)劃”微生物數(shù)據(jù)集將依托國產(chǎn)數(shù)據(jù)庫向全球開放共享，呼吁國內(nèi)外研究學(xué)者協(xié)力攻堅(jiān)深淵環(huán)境與生命的重大科學(xué)問題，拓展人類對(duì)深部生命的認(rèn)知邊界。

圖2.全球唯一深淵微生物數(shù)據(jù)庫

該研究專題報(bào)道了深淵研究的重大進(jìn)展，樣本分析顯示出較高的分類新穎性，為我們呈現(xiàn)了一個(gè)海洋深處極度繁榮的生態(tài)系統(tǒng)。重點(diǎn)研究了深淵生態(tài)系統(tǒng)，包括深淵微生物、深淵無脊椎動(dòng)物（鉤蝦）和深淵脊椎動(dòng)物（魚類）的特征與環(huán)境適應(yīng)，從而描繪了深淵特殊的食物鏈：從微生物到鉤蝦再到魚類。發(fā)現(xiàn)了深淵存在跨越物種邊界的深淵環(huán)境“共適應(yīng)”策略。

以上內(nèi)容來源于上海交通大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，侵刪

近日，北京大學(xué)李毅研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合福建農(nóng)林大學(xué)等多個(gè)實(shí)驗(yàn)室在Nature上發(fā)表了題為“Perception?of?viral?infections?and?initiation?of?antiviral?defence?in?rice”的研究論文，揭示了水稻感知病毒侵染并啟動(dòng)抗病毒免疫反應(yīng)的分子機(jī)制。百邁客生物為該研究提供了轉(zhuǎn)錄組測序服務(wù)！

研究背景

水稻作為全球半數(shù)以上人口的主糧作物，其產(chǎn)量穩(wěn)定性對(duì)糧食安全至關(guān)重要。在過去的20多年里，科學(xué)家在鑒定新病毒、解析病毒致病機(jī)理和植物抗病毒機(jī)制等方面取得了一系列的重要進(jìn)展，但在植物細(xì)胞尤其是禾本科植物細(xì)胞如何感知病毒侵染進(jìn)而啟動(dòng)抗病毒免疫等方面還了解的十分有限。

主要成果

研究發(fā)現(xiàn)水稻RING1-IBR-RING2類型的泛素連接酶RBRL不僅能夠識(shí)別水稻條紋病毒（Rice?stripe?virus，RSV）的外殼蛋白（CP），還能識(shí)別水稻矮縮病毒（Rice?dwarf?virus，RDV）的外殼蛋白P2。進(jìn)一步研究表明，RSV?CP不僅能誘導(dǎo)RBRL表達(dá)量上調(diào)，還能激活RBRL的泛素連接酶活性，進(jìn)而促進(jìn)RBRL介導(dǎo)的茉莉酸信號(hào)通路抑制因子NOVEL?INTERACTOR?OF?JAZ?3（NINJA3）的泛素化和降解，從而激活水稻茉莉酸信號(hào)通路。

水稻抗病毒防御反應(yīng)的分子機(jī)制

這可以理解為，當(dāng)病毒來犯時(shí)，RBRL蛋白迅速“變身”把茉莉酸信號(hào)通路抑制因子NINJA3蛋白“拿下”，從而讓茉莉酸信號(hào)通路“火力全開”，增強(qiáng)水稻的抗病毒能力。

李毅團(tuán)隊(duì)這次的發(fā)現(xiàn)結(jié)合團(tuán)隊(duì)前期研究成果，在水稻中發(fā)現(xiàn)和解析了一條核心的抗病毒通路，即從水稻細(xì)胞感知和識(shí)別病毒侵染到激活水稻抗病毒免疫機(jī)制全鏈條解析。即以水稻為模式，發(fā)現(xiàn)了從RBRL介導(dǎo)對(duì)病毒外殼蛋白感知和識(shí)別（Nature,?2025）、茉莉酸信號(hào)通路（JA）抑制子降解（Nature,?2025）、到茉莉酸信號(hào)通路激活RNA沉默核心蛋白（AGO18）表達(dá)（Cell?Host?&?Microbe,?2020）以及AGO18介導(dǎo)的RNAi和ROS協(xié)同防御的完整抗病毒免疫通路（Molecualr?Plant,?2019;?Nature?Plants,?2017;?eLife,?2015;?PLoS?Pathogens,?2011）。

研究總結(jié)

該研究為水稻抗病毒育種提供了多靶點(diǎn)策略：
1）利用RBRL廣譜識(shí)別特性開發(fā)廣譜抗病毒種質(zhì)；
2）通過精細(xì)調(diào)控JA信號(hào)通路增強(qiáng)基礎(chǔ)抗性；
3）協(xié)同優(yōu)化RNAi與ROS防御系統(tǒng)。

這一系統(tǒng)性成果將為作物抗病毒研究和育種提供新的理論框架和技術(shù)路徑。李毅團(tuán)隊(duì)介紹，通過優(yōu)化RBRL蛋白功能、增強(qiáng)茉莉酸信號(hào)通路活性，以及強(qiáng)化RNA干擾（RNAi）與活性氧（ROS）協(xié)同防御能力等多種技術(shù)路徑，未來有望培育出更具抗病能力的水稻新品種，從而降低病毒病害帶來的農(nóng)業(yè)損失，提高糧食生產(chǎn)穩(wěn)定性。同時(shí)，這一研究為全球水稻生產(chǎn)提供了新的抗病毒策略，助力可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展。

內(nèi)容來源于網(wǎng)絡(luò)，侵刪

《Science》ARF3介導(dǎo)的生長素信號(hào)對(duì)黃瓜性別決定至關(guān)重要

該研究揭開了生長素促進(jìn)雌花產(chǎn)生的神秘機(jī)制，鑒定到關(guān)鍵調(diào)控因子CsARF3（Auxin?Response?Factor?3），并闡釋了生長素和乙烯在性別決定上的互惠關(guān)系，為植物性別決定的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)提供了全新的認(rèn)識(shí)。百邁客生物為該研究提供了轉(zhuǎn)錄組測序及分析服務(wù)！

研究背景

古人識(shí)草木，多辨“花葉果”之形，卻少知其“性別”之異。

被子植物的性別決定，不僅是進(jìn)化成功的重要標(biāo)志，更是解鎖農(nóng)業(yè)增產(chǎn)、推動(dòng)雜交制種的關(guān)鍵密碼。植物性別并非僅由染色體決定，還受基因調(diào)控、激素水平、環(huán)境信號(hào)（溫度、光照、養(yǎng)分）的調(diào)控，其復(fù)雜性遠(yuǎn)超動(dòng)物。

葫蘆科作物性型表現(xiàn)豐富，已逐漸成為研究性別決定的典型模式植物。葫蘆科作物的花在早期發(fā)育階段是兩性的，隨著心皮原基或雄蕊原基的發(fā)育停滯產(chǎn)生單性花?！吧L素促進(jìn)雌花產(chǎn)生”這一現(xiàn)象自上世紀(jì)50年代被植物學(xué)家觀察到以來，一直是植物生理學(xué)領(lǐng)域的“未解之謎”，且生長素與乙烯是如何協(xié)同調(diào)控植物單性花發(fā)育的遺傳機(jī)制仍模糊不清。

研究內(nèi)容及結(jié)果

CsARF3是黃瓜雌花形成所必需的

該研究首先發(fā)現(xiàn)，外源施加生長素（IAA）可提高黃瓜雌雄花比例。在16個(gè)黃瓜ARF家族成員中，CsARF3在雌性系WI1983G的雌花芽中表達(dá)顯著高于其近等基因系WI1983GM（ACS1G突變，以雄花為主）的雄花芽，且在性別決定期（第6期之前）的表達(dá)更高（圖1A-G）。利用CRISPR/Cas9技術(shù)構(gòu)建的Csarf3移碼突變體（Csarf3-1和Csarf3-2）僅產(chǎn)生雄花，而野生型（WT）為雌雄同株（圖1H,?I）。突變體部分雄花在心皮殘留部位出現(xiàn)花柱樣組織，其比例與野生型的雌花比例相似，暗示Csarf3突變導(dǎo)致雌花向雄花轉(zhuǎn)化（圖1J,?K）。相反，CsARF3過表達(dá)株系（CsARF3-OE）的雌花比例和復(fù)合雌性（每節(jié)多雌花）比例均顯著增加（圖1L,?M）。外源IAA處理無法恢復(fù)Csarf3突變體的雌花產(chǎn)生，表明CsARF3介導(dǎo)的生長素信號(hào)是黃瓜雌花形成不可或缺的環(huán)節(jié)。

圖1 CsARF3 促進(jìn)黃瓜中的雌性化

CsARF3直接調(diào)控CsSTM和CsWIP1的表達(dá)

KNOX家族轉(zhuǎn)錄因子參與莖端分生組織（SAM）形成和心皮發(fā)育。研究發(fā)現(xiàn)，Csarf3突變體異常心皮中多數(shù)KNOX?I類成員表達(dá)下調(diào)，其中CsSTM（SHOOT?MERISTEMLESS同源基因）下降最為顯著（圖2A）。CsSTM在雌花芽中表達(dá)高于雄花芽，在Csarf3突變體莖尖中表達(dá)降低，而在CsARF3-OE株系中上調(diào)（圖2B-D）。酵母單雜交、凝膠遷移實(shí)驗(yàn)（EMSA）和染色質(zhì)免疫沉淀（ChIP-qPCR）證實(shí)，CsARF3可直接結(jié)合CsSTM啟動(dòng)子中的生長素響應(yīng)元件（AuxREs），并激活其轉(zhuǎn)錄（圖2E-H,?I）。CsSTM在性別決定前特異性富集于雌花的心皮原基。敲除CsSTM導(dǎo)致雌花比例下降和首朵雌花出現(xiàn)延遲，而Csarf3?Csstm雙突變體的表型與Csstm單突變體相似，表明CsSTM位于CsARF3下游共同促進(jìn)雌花形成（圖2J,?K）。

圖2 CsARF3 通過直接刺激黃瓜中的CsSTM表達(dá)來促進(jìn)雌性化

另一方面，雌性抑制基因CsWIP1在Csarf3突變體中表達(dá)上調(diào)約3倍，在CsARF3-OE中下調(diào)（圖3A,?B）。CsARF3可直接結(jié)合CsWIP1啟動(dòng)子上的AuxRE元件并抑制其轉(zhuǎn)錄（圖3C-F）。遺傳分析顯示，Csarf3?Cswip1雙突變體恢復(fù)了雌雄同株表型，產(chǎn)生雌花和兩性花，類似于Cswip1單突變體（僅雌花），證明CsARF3作用于CsWIP1上游抑制其功能以促進(jìn)雌性發(fā)育（圖4A-D）。

圖3 CsARF3負(fù)向調(diào)控CsWIP1在心皮發(fā)育中的表達(dá)

CsARF3與乙烯生物合成基因的遺傳關(guān)系

乙烯生物合成基因ACS1G（F基因）是黃瓜雌性表型的關(guān)鍵因子。研究發(fā)現(xiàn)，外源乙烯利（ethephon）處理不能誘導(dǎo)Csarf3突變體產(chǎn)生雌花，而生長素處理卻能恢復(fù)乙烯生物合成突變體Csacs11和Csaco2（僅雄花）的雌花形成。將Csarf3突變引入攜帶ACS1G的雌性系中，發(fā)現(xiàn)CsARF3的缺失阻斷了ACS1G誘導(dǎo)的雌花發(fā)育（圖4E-H），表明乙烯需要通過生長素通路促進(jìn)心皮發(fā)育。此外，黃瓜中ACS7同源基因CsACS2在Csarf3和Csstm突變體中表達(dá)顯著下調(diào)，在CsARF3-OE中上調(diào)（圖4I-K），說明生長素信號(hào)能促進(jìn)乙烯生物合成，兩者在性別決定中形成互饋循環(huán)。

圖4 黃瓜中已知性別決定基因與CsARF3的遺傳關(guān)系

研究總結(jié)

該研究不僅破解了“生長素促進(jìn)黃瓜雌花產(chǎn)生”之謎，極大豐富了被子植物單性花發(fā)育調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，而且為理解激素信號(hào)如何調(diào)控植物器官發(fā)育提供了全新的視角，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的作物性別調(diào)控提供了精準(zhǔn)的分子靶點(diǎn)。

以上內(nèi)容來源于中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，侵刪

該研究通過PacBio?HiFi、ONT超長讀長和Hi-C測序技術(shù)，首次完成了紅色胡蘿卜高代自交系TXH4的端粒到端粒（T2T）無間隙基因組組裝，并系統(tǒng)闡明了關(guān)鍵基因調(diào)控番茄紅素特異性富集的分子機(jī)制，為胡蘿卜品質(zhì)育種提供了重要理論依據(jù)與技術(shù)支撐。百邁客生物為該研究提供了三代測序及相關(guān)分析服務(wù)。

研究背景

胡蘿卜（傘形科Daucus?carota）作為全球重要的根莖類蔬菜，富含多種類胡蘿卜素。非紫色胡蘿卜根色的差異主要源于類胡蘿卜素組成和含量的不同，例如橙色胡蘿卜中富含α-胡蘿卜素和β-胡蘿卜素，黃色胡蘿卜則以葉黃素為主。

紅色胡蘿卜因富集番茄紅素而呈現(xiàn)獨(dú)特的紅色，在18世紀(jì)傳入中國后長期占據(jù)東亞市場的重要地位。其中，“透心紅”TXH4是我國西北地區(qū)廣泛栽培的地方品種，因其優(yōu)異的耐貯性、抗逆性及高番茄紅素含量等特質(zhì)，在生產(chǎn)中備受青睞。番茄紅素作為一種高價(jià)值天然抗氧化劑，其在TXH4中的特異性高效積累機(jī)制，長期以來未被系統(tǒng)解析。

隨著基因組學(xué)技術(shù)的發(fā)展，構(gòu)建高質(zhì)量參考基因組成為解析這一問題的關(guān)鍵。然而，此前僅有兩個(gè)橙胡蘿卜品種（黑田型（Kurodagosun）、南特型（Nantes））完成T2T基因組組裝，紅胡蘿卜的基因組資源仍屬空白。

材料及方法

為解析上述科學(xué)問題，研究團(tuán)隊(duì)選取紅色胡蘿卜高代自交系TXH4為材料，采用了前沿的多平臺(tái)測序技術(shù)進(jìn)行無間隙的端粒到端粒（T2T）基因組組裝。

具體技術(shù)路徑包括：利用PacBio?HiFi測序保證序列準(zhǔn)確性，結(jié)合Hi-C技術(shù)進(jìn)行染色體水平輔助組裝，并借助ONT的超長讀長數(shù)據(jù)攻克復(fù)雜基因組區(qū)域的組裝難題。這種整合策略最終獲得了高質(zhì)量的TXH4完整參考基因組。在此基礎(chǔ)上，研究通過比較基因組學(xué)（與已發(fā)表的橙色胡蘿卜T2T基因組對(duì)比）、KEGG?通路分析、代謝組學(xué)與轉(zhuǎn)錄組學(xué)聯(lián)合分析，并結(jié)合轉(zhuǎn)基因功能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)探究了番茄紅素積累的遺傳基礎(chǔ)。

研究結(jié)果

TXH4高質(zhì)量基因組特征及變異解析

該研究成功組裝了TXH4的T2T無間隙基因組。與兩個(gè)橙色胡蘿卜參考基因組（黑田型、南特型）比較，分別鑒定出2,466,422和2,037,986個(gè)SNP，以及500,579和474,704個(gè)InDel。更重要的是，KEGG通路分析發(fā)現(xiàn)，類胡蘿卜素生物合成通路中的基因富集了大量TXH4的特異性變異，初步揭示了紅色類胡蘿卜素的積累模式與南特、黑田五寸等橙色胡蘿卜存在顯著差異。

圖1-9個(gè)物種之間的比較基因組和進(jìn)化分析

圖2-胡蘿卜基因組的比較基因組學(xué)分析和變異評(píng)估

代謝組與轉(zhuǎn)錄組的協(xié)特征

代謝組分析證實(shí)，TXH4肉質(zhì)根中番茄紅素的含量極高，是葉片含量的1965倍，而下游產(chǎn)物α-胡蘿卜素和β-胡蘿卜素的含量極低（僅為葉片的2.7%和3.5%）。這一“上游淤積、下游匱乏”的代謝模式，在轉(zhuǎn)錄組層面找到了直接原因：催化番茄紅素向下游轉(zhuǎn)化的兩個(gè)關(guān)鍵酶基因——DcLCYB1（番茄紅素β-環(huán)化酶基因）與DcLCYE（番茄紅素ε-環(huán)化酶基因），在TXH4肉質(zhì)根中的表達(dá)量較葉片顯著下調(diào)，其表達(dá)抑制與番茄紅素的高積累形成直接關(guān)聯(lián)。

圖3-類胡蘿卜素生物合成及DcLCYB1和DcLCYE在TXH4中的過表達(dá)影響

關(guān)鍵基因的功能驗(yàn)析

功能實(shí)驗(yàn)為上述關(guān)聯(lián)提供了因果證據(jù)。在TXH4中過表達(dá)DcLCYB1和DcLCYE，導(dǎo)致根中番茄紅素含量下降；相反，在橙色胡蘿卜（黑田型）中敲除這兩個(gè)基因，則成功誘導(dǎo)了番茄紅素的大量積累。這直接證明，DcLCYB1和DcLCYE的低表達(dá)是TXH4番茄紅素特異性高水平積累的核心機(jī)制。它們的表達(dá)抑制，阻斷了番茄紅素向α/β-胡蘿卜素的轉(zhuǎn)化通路，從而使其在根中大量富集。

圖4-橙色胡蘿卜‘Kurodagosun’中DcLCYB1和DcLCYE的敲除

研究總結(jié)

該研究通過完成紅色胡蘿卜地方品種TXH4的高質(zhì)量T2T基因組組裝，為胡蘿卜功能基因組學(xué)研究提供了寶貴的資源。研究不僅從基因組變異、代謝組和轉(zhuǎn)錄組多個(gè)層面系統(tǒng)解析了紅色胡蘿卜的特征，更重要的是，通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓δ軐?shí)驗(yàn)，明確了DcLCYB1和DcLCYE這兩個(gè)關(guān)鍵基因的低表達(dá)是驅(qū)動(dòng)番茄紅素積累的根本原因。該研究不僅為揭示紅色胡蘿卜中番茄紅素積累的遺傳機(jī)制提供了重要見解，同時(shí)也拓展了胡蘿卜育種的基因組資源，為作物品質(zhì)改良奠定了遺傳基礎(chǔ)。

圖5-TXH4 T2T基因組特征

中國工程院

2025年11月21日

2025年當(dāng)選中國工程院院士名單

（共71人，分學(xué)部按姓氏拼音排序）

?

中國科學(xué)院

2025年11月21日

研究背景

胎生是脊椎動(dòng)物中廣泛存在的一種生殖策略，其特征為受精卵在母體內(nèi)發(fā)育，直至胚胎發(fā)育成熟后才被產(chǎn)出。與這一普遍模式形成鮮明對(duì)比的是，海馬科物種演化出了極為特殊的“雄性懷孕”現(xiàn)象，該獨(dú)特的生命史策略為研究動(dòng)物生殖系統(tǒng)的演化提供了重要窗口：功能性相似的生殖方式究竟源于趨同的分子機(jī)制，抑或是通過同源通路或全新的細(xì)胞調(diào)控路徑實(shí)現(xiàn)？盡管已有比較基因組學(xué)研究初步揭示了該生殖方式轉(zhuǎn)變的遺傳背景，然而相關(guān)基因在特定細(xì)胞類型中的表達(dá)模式及其演化軌跡仍不清楚。

在結(jié)構(gòu)上，海馬育兒袋與有袋類動(dòng)物的育兒袋具有一定相似性，并在功能上融合了羊膜動(dòng)物子宮與胎盤的特點(diǎn)。在雄性懷孕過程中，其育兒袋內(nèi)層組織發(fā)生顯著肥大與血管化，形成一種被稱為“偽胎盤”的結(jié)構(gòu)，可執(zhí)行氣體交換與營養(yǎng)物質(zhì)傳遞等典型的胎盤功能。此外，海馬在進(jìn)化過程中丟失了?foxp3?基因——該基因在哺乳動(dòng)物中對(duì)調(diào)節(jié)性T細(xì)胞（Treg）的發(fā)育與功能維持具有核心作用，這一遺傳缺失也引發(fā)了對(duì)其在懷孕過程中免疫耐受機(jī)制的特殊適應(yīng)性的探討。

研究內(nèi)容和結(jié)果

對(duì)海馬育兒袋7個(gè)發(fā)育階段進(jìn)行單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序，鑒定出14個(gè)細(xì)胞簇，分為四大主要細(xì)胞類型：上皮細(xì)胞（EPCs，9個(gè)簇）、成纖維細(xì)胞（FBs，2個(gè)簇）、免疫細(xì)胞（ICs，2個(gè)簇）和內(nèi)皮細(xì)胞（ENCs，1個(gè)簇）。細(xì)胞的空間分布對(duì)細(xì)胞間相互作用及其功能維持至關(guān)重要。

對(duì)妊娠早期胎盤囊進(jìn)行空間轉(zhuǎn)錄組測序（測序平臺(tái)BMKMANU?S1000）發(fā)現(xiàn)，EPCs在胎盤囊的三層結(jié)構(gòu)中均呈現(xiàn)高豐度。其中，EPCs-II（高表達(dá)C型凝集素）在外層富集，可能暗示其在早期聚集外部吸附物或抑制表皮細(xì)菌方面發(fā)揮作用。相比之下，EPCs-III（tfa+）和EPCs-IV（gata1+）在內(nèi)層富集，與“鐵穩(wěn)態(tài)”、“細(xì)胞遷移”及“血管發(fā)育”相關(guān)，其在雄性妊娠胎盤形成過程中可能參與侵襲和血管化過程。作為細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）的主要來源，F(xiàn)Bs存在于中間層，富集“膠原蛋白生成”，可能促進(jìn)胎盤囊結(jié)構(gòu)形成和組織重塑。ICs則分散于三層結(jié)構(gòu)中，調(diào)控免疫穩(wěn)態(tài)。

基于scRNA-seq，scATAC-seq，空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)聯(lián)合分析，作者發(fā)現(xiàn)了具有干細(xì)胞潛能的”育兒袋上皮祖細(xì)胞（BEPCs）”。研究顯示，該類細(xì)胞在發(fā)育過程中與膠原蛋白基因呈現(xiàn)協(xié)同表達(dá)，并受到雄激素信號(hào)的強(qiáng)烈驅(qū)動(dòng)。研究進(jìn)一步證實(shí)，外源性雄激素處理可誘導(dǎo)雌性海馬形成育兒袋結(jié)構(gòu)。由此，雄激素受體及其調(diào)控的育兒袋上皮祖細(xì)胞作為觸發(fā)育兒袋器官生成的關(guān)鍵起始因子。

圖1?細(xì)胞圖譜構(gòu)建

在雄性妊娠期間，海馬卵囊內(nèi)層會(huì)發(fā)生顯著的形態(tài)學(xué)改變并呈現(xiàn)肥大，形成類似胎盤的組織結(jié)構(gòu)，在細(xì)胞譜系轉(zhuǎn)變過程中，多個(gè)海馬特異性基因（如pastn1、sp-chia）在偽胎盤形成中起關(guān)鍵作用。作者發(fā)現(xiàn)EPC-I（muc15）、EPC-I（cxcl14）和EPC-IV在人類中與絨毛外滋養(yǎng)層細(xì)胞（EVTs）及絨毛滋養(yǎng)層細(xì)胞（VCTs）具有高度相似的基因表達(dá)譜，海馬雄性妊娠和哺乳動(dòng)物常規(guī)雌性妊娠的胎盤形成過程，可能具有趨同的細(xì)胞機(jī)制和調(diào)控基礎(chǔ)。海馬缺乏foxp3基因（哺乳動(dòng)物中調(diào)控Treg細(xì)胞的關(guān)鍵基因），但可能通過其它免疫細(xì)胞（如cd4+il2rb+?Tregs?和巨噬細(xì)胞）維持對(duì)胚胎的免疫耐受。

圖2?海馬假胎盤形成與子宮重塑的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組分析圖譜

通過跨物種比較基因組學(xué)與單細(xì)胞多組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，盡管存在物種特異性差異，海馬假胎盤中的多數(shù)細(xì)胞類型在轉(zhuǎn)錄組特征上高度近似于人類的滋養(yǎng)層細(xì)胞——后者在調(diào)控胎兒生長及母體妊娠適應(yīng)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。其中，EPCs-II型細(xì)胞兼具表皮分化特征與凝集素介導(dǎo)的黏附功能，其可能是卵囊演化起源的重要線索。

進(jìn)一步研究表明，海馬育兒袋與哺乳動(dòng)物子宮在細(xì)胞和遺傳層面具有顯著同源性。海馬與哺乳動(dòng)物生殖系統(tǒng)所呈現(xiàn)的趨同進(jìn)化現(xiàn)象，可能源于特定細(xì)胞類型通過趨同演化形成相似的轉(zhuǎn)錄特征，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)類似功能，最終推動(dòng)胎生機(jī)制的形成。

圖3?細(xì)胞類型進(jìn)化分析

研究總結(jié)

該研究通過細(xì)胞分子與發(fā)育生物學(xué)的多維度分析，深入解析其卵囊發(fā)育與妊娠過程中的細(xì)胞遺傳動(dòng)態(tài)。研究發(fā)現(xiàn)，卵囊形成的關(guān)鍵在于一種具有干細(xì)胞潛能的“育兒袋上皮祖細(xì)胞”群體。體內(nèi)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，雄激素在卵囊形成中起主導(dǎo)作用。通過對(duì)其它動(dòng)物的對(duì)比研究，作者揭示了海馬雄性親代撫育的早期進(jìn)化機(jī)制，以及其細(xì)胞特征，存在與哺乳動(dòng)物胎生動(dòng)物相似的生命功能的趨同演化。

研究背景

慢性肉芽腫病（Chronic?Granulomatous?Disease,?CGD）是一種由NADPH氧化酶2（NOX2）復(fù)合體功能缺失突變引起的原發(fā)性免疫缺陷病。這種缺陷會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生ROS的多種先天免疫細(xì)胞受到損害，機(jī)體抵御微生物的能力下降，導(dǎo)致CGD患者易發(fā)生反復(fù)感染和過度炎癥反應(yīng)。本研究通過構(gòu)建自然CGD小鼠模型，結(jié)合單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組（scRNA-seq）和空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)（包括BMKMANU?S1000平臺(tái)），深入解析了CGD肺部肉芽腫形成的細(xì)胞與分子機(jī)制，從CGD肺肉芽腫組織中鑒定出具有NOS2高表達(dá)特征的中性粒細(xì)胞和MMP12+巨噬細(xì)胞，并提出MIF和Morbidity為CGD治療的潛在靶點(diǎn)。

研究內(nèi)容及結(jié)果

1、通過接觸清潔環(huán)境（CL）建立CGD肉芽腫模型

通過不同環(huán)境暴露（SPF或CL）實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)研究了環(huán)境病原體對(duì)CGD遺傳背景小鼠表型的影響。表現(xiàn)為HE染色全肺葉顯微圖像可見CL環(huán)境下的Ncf2?/?小鼠肺部出現(xiàn)明顯的肉芽腫結(jié)構(gòu)，伴隨炎癥細(xì)胞浸潤和組織壞死，其他組小鼠肺部正常。免疫熒光顯示肉芽腫中的巨噬細(xì)胞（CD68+）表達(dá)上皮標(biāo)志物E-cadherin，提示巨噬細(xì)胞發(fā)生上皮樣轉(zhuǎn)化。通過ELISA法檢測CL?Ncf2?/?小鼠血清中的IL-1β和IFN-γ炎癥相關(guān)蛋白水平較CL?WT組增加。16S?rRNA/ITS?測序顯示CL?Ncf2?/?小鼠肺部細(xì)菌（如克雷伯菌和葡萄球菌）和真菌（如Talaromyces）負(fù)荷顯著增加。

2、單細(xì)胞分辨率下小鼠肺部免疫景觀的分析

通過單細(xì)胞RNA測序和流式細(xì)胞術(shù)分析發(fā)現(xiàn)CGD小鼠肺部炎癥微環(huán)境以髓系細(xì)胞浸潤為主，提示其參與肉芽腫形成。其中單細(xì)胞測序，最終保留了25296個(gè)高質(zhì)量細(xì)胞樣本，每個(gè)細(xì)胞平均包含6466條比對(duì)讀數(shù)和1972個(gè)基因，并識(shí)別出9種免疫細(xì)胞類型及九種基質(zhì)細(xì)胞類型。還發(fā)現(xiàn)一個(gè)以細(xì)胞周期相關(guān)基因（Mki67和Top2a）高表達(dá)為特征的細(xì)胞簇。通過流式細(xì)胞術(shù)分析發(fā)現(xiàn)，CL?Ncf2?/?小鼠中CD11b高表達(dá)的F4/80+MDMs在比例和絕對(duì)數(shù)量上均顯著增加，這些結(jié)果揭示了慢性肉芽腫性葡萄膜炎（CGD）小鼠在肺部感染過程中免疫細(xì)胞組成的顯著變化，尤其是中性粒細(xì)胞和MDMs的明顯聚集現(xiàn)象。

3、CGD小鼠中性粒細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄改變

研究顯示，中性粒細(xì)胞分為6個(gè)亞群，其中Neu6亞群在CL?Ncf2?/?小鼠中顯著擴(kuò)增且Neu6高表達(dá)促炎基因（如Nos2、Mif、Tnf、Il1b）。NO是一種在病原體清除過程中起關(guān)鍵作用由NOS2合成的可擴(kuò)散小分子，CL?Ncf2?/?小鼠肺部的總NO生成量顯著升高。流式驗(yàn)證顯示CL?Ncf2?/?小鼠肺中NOS2high中性粒細(xì)胞比例顯著增加。這些結(jié)果均提示NOS2high中性粒細(xì)胞通過產(chǎn)生一氧化氮（NO）和促炎因子，驅(qū)動(dòng)肉芽腫核心區(qū)的炎癥反應(yīng)。

4、CGD小鼠單核細(xì)胞-巨噬細(xì)胞區(qū)室的轉(zhuǎn)錄改變

通過對(duì)巨噬細(xì)胞亞群進(jìn)行聚類分析和功能富集，發(fā)現(xiàn)巨噬細(xì)胞分為5個(gè)亞群，Mac1亞群在CL?Ncf2?/?小鼠中顯著增加。Mac1同時(shí)表達(dá)M1（Nos2）和M2（Arg1）標(biāo)志物，以及促纖維化基因（如Mmp12、Spp1）。免疫熒光顯示MMP12+巨噬細(xì)胞特異性分布于肉芽腫外圍。以上結(jié)果提示MMP12+巨噬細(xì)胞具有混合表型，可能通過細(xì)胞外基質(zhì)重塑促進(jìn)肉芽腫的纖維化包裹。

5、空間轉(zhuǎn)錄組揭示肉芽腫結(jié)構(gòu)

使用SeekSpace和BMKMANU?S1000平臺(tái)分析肺組織切片的空間轉(zhuǎn)錄組。研究表明肉芽腫核心區(qū)富集中性粒細(xì)胞（Neu6亞群），外圍富集巨噬細(xì)胞（Mac1亞群）和成纖維細(xì)胞。Mac1高表達(dá)促炎（Nos2）和促纖維化（Mmp12、Fn1）基因。成纖維細(xì)胞高表達(dá)膠原基因（Col1a1、Col4a1），提示其參與纖維化。

以上結(jié)果提示通過BMKMANU?S1000平臺(tái)進(jìn)行的空間轉(zhuǎn)錄組發(fā)現(xiàn)Neu6占據(jù)肉芽腫中心區(qū)域，而Mac1和成纖維細(xì)胞在外圍區(qū)域參與細(xì)胞外基質(zhì)重塑和纖維化包被過程。明確了肉芽腫中不同細(xì)胞的分布和功能分工，揭示了炎癥與纖維化的協(xié)同作用。

6、干預(yù)策略的效果驗(yàn)證

通過對(duì)巨噬細(xì)胞亞群進(jìn)行聚類分析和功能富集，發(fā)現(xiàn)巨噬細(xì)胞分為5個(gè)亞群，Mac1亞群在CL?Ncf2?/?小鼠中顯著增加。Mac1同時(shí)表達(dá)M1（Nos2）和M2（Arg1）標(biāo)志物，以及促纖維化基因（如Mmp12、Spp1）。免疫熒光顯示MMP12+巨噬細(xì)胞特異性分布于肉芽腫外圍。以上結(jié)果提示MMP12+巨噬細(xì)胞具有混合表型，可能通過細(xì)胞外基質(zhì)重塑促進(jìn)肉芽腫的纖維化包裹。

研究總結(jié)

首次通過環(huán)境暴露構(gòu)建自然CGD模型，結(jié)合多組學(xué)技術(shù)解析肉芽腫的細(xì)胞和分子機(jī)制。本研究揭示了CGD肉芽腫中NOS2high中性粒細(xì)胞和MMP12+巨噬細(xì)胞的協(xié)同作用，并提出MIF和Morrbid作為潛在治療靶點(diǎn)，為CGD的精準(zhǔn)干預(yù)提供了理論基礎(chǔ)。BMKMANU?S1000空間轉(zhuǎn)錄組通過高分辨率空間定位明確揭示了中性粒細(xì)胞（Neu6亞群）在肉芽腫核心、巨噬細(xì)胞（Mac1亞群）和成纖維細(xì)胞在外圍的分布。在基因表達(dá)驗(yàn)證時(shí)確認(rèn)了NOS2、MIF、IL-1β等基因在肉芽腫不同區(qū)域的差異表達(dá)，這一結(jié)果與scRNA-seq結(jié)果高度一致，展示了BMKMANU?S1000在疾病微環(huán)境研究中的高效性。

中文題目：5-ASA的腸道微生物代謝降低了其在炎癥性腸病中的臨床療效

發(fā)表期刊：nature medicine

發(fā)表時(shí)間：2023

影響因子：82.9

研究背景

炎性腸病 (IBD)是一種慢性、使人虛弱的胃腸疾病，治療失敗率較高。目前尚無系統(tǒng)的方法預(yù)測對(duì)IBD療法的反應(yīng)?？寡姿幬锩郎忱海脖环Q為5-氨基水楊酸 (5-ASA)，是IBD最常用的處方療法之一，通常在結(jié)腸內(nèi)發(fā)揮作用；然而，隨著時(shí)間的推移，超過一半的IBD患者對(duì)5-ASA沒有反應(yīng)或最終失去反應(yīng)。因此，有必要確定并消除此類治療失敗的原因。

研究思路

研究重點(diǎn)

1、來自IBD患者的多組學(xué)研究確定了5-ASA的使用

利用人類微生物組項(xiàng)目炎癥性腸病多組學(xué)數(shù)據(jù)庫（IBDMDB，http://ibdmdb.org），對(duì)79名克羅恩?。–D）或潰瘍性結(jié)腸炎（UC）患者的糞便樣本進(jìn)行多組學(xué)分析，共鑒定了1036個(gè)宏基因組（MGX）、440個(gè)元轉(zhuǎn)錄本（MTX）和508個(gè)非靶向代謝組（MBX），以及283個(gè)MBX-MGX對(duì)和213個(gè)MGX-MTX對(duì)。隨后針對(duì)13名新使用5-ASA的患者來確定5-ASA在體內(nèi)直接調(diào)節(jié)的特定糞便代謝物，結(jié)果發(fā)現(xiàn)5-ASA使用前后中的5-ASA和N-乙酰5-ASA水平呈顯著差異，且經(jīng)5-ASA治療后，賴氨酸合成途徑中的細(xì)菌代謝產(chǎn)物—2-氨基己二酸的含量減少，煙酸代謝也發(fā)生了顯著變化。

進(jìn)一步評(píng)估微生物、宿主和其他因素對(duì)這些差異顯著的代謝物的相對(duì)貢獻(xiàn)，最終發(fā)現(xiàn)5-ASA的藥物水平在確定5-ASA調(diào)節(jié)代謝物水平方面具有最大的預(yù)測能力（35%），其次是微生物組特征（15%）和其他宿主因素（7%）。隨后，通過另一個(gè)獨(dú)立的IBD患者隊(duì)列中鑒定并驗(yàn)證了兩種可能的5-ASA衍生物—N-丙?；?-ASA和N-丁?；?-ASA，它們的變化可以部分地由腸道微生物組來解釋。

圖1?5-ASA可直接影響糞便代謝組，并通過微生物組進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化

2、5-ASA代謝腸道微生物酶的鑒定

接下來確定參與5-ASA生物轉(zhuǎn)化的腸道微生物酶。首先對(duì)服用及未服用5-ASA的患者微生物進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組分析，最終鑒定了兩個(gè)顯著過表達(dá)的具有推定乙酰轉(zhuǎn)移酶功能的UniRef90基因簇：GNAT家族NAT（UniRef90 ID: C7H1G6）和乙酰輔酶a乙酰轉(zhuǎn)移酶（UniRef90 ID: R6TIX3），以及四個(gè)具有乙酰輔酶a乙酰轉(zhuǎn)移酶結(jié)構(gòu)域的候選基因（IDs: R6CZ24, R5CY66, T5S060和A0A1C6JPG6）。隨后將糞便樣本分為N-乙酰5-ASA高水平和N-乙酰5-ASA低/陰性水平兩組，計(jì)算與N-乙酰5-ASA相關(guān)的每個(gè)元轉(zhuǎn)錄組基因簇的敏感性和特異性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)了另外7個(gè)假定的乙酰轉(zhuǎn)移酶基因簇與使用者的N-乙酰5-ASA水平呈正相關(guān)。最終得到的12個(gè)之前未被表征的候選乙酰轉(zhuǎn)移酶可分為硫解酶和?；o酶A N-酰基轉(zhuǎn)移酶兩組，其中酰基輔酶A NAT家族比硫解酶家族表現(xiàn)出更大的序列異質(zhì)性，且酰基輔酶A NAT酶幾乎都來自擬桿菌門，而硫解酶來自厚壁菌門。通過研究菌株水平的基因組，同樣發(fā)現(xiàn)了一部分普氏鐮孢菌株編碼相關(guān)的乙酰轉(zhuǎn)移酶。

圖2N-乙酰5-ASA微生物酶包括硫代酶和?；o酶A N-乙酰轉(zhuǎn)移酶

3、5-ASA失活酶生化特性的推定

為了推測硫解酶和?；o酶A NAT超家族具有潛在的5-ASA滅活能力，選用來自厚壁菌門的候選硫解酶CAG:176（UniRef90 ID: R6CZ24）和來自福氏假單胞菌的?；o酶A NAT（UniRef90 ID:C7H1G6）用于進(jìn)一步的生化表征。用已知的腸道鏈球菌酶作為陽性對(duì)照，對(duì)乙?；?-ASA采用體外質(zhì)譜分析，最終證實(shí)了厚壁菌CAG:176硫解酶和F. prausnitzii酰基輔酶A NAT具有使用乙酰輔酶A乙?；?-ASA的能力。

隨后測試了硫解酶對(duì)其他含胺基異生素（包括5-ASA異構(gòu)體4-ASA、異煙肼、普魯卡因胺和肼屈嗪）的乙?；钚?，結(jié)果并未發(fā)現(xiàn)這些化合物的任何乙?；?，這表明了硫解酶的底物選擇性。此外，編碼第二個(gè)預(yù)測的硫解酶基因（R6TIX3）的Oscillibacter sp菌株KLE 1745的活培養(yǎng)物也能夠?qū)?-ASA乙酰化為N-乙?；?-ASA。

為了深入了解厚壁菌CAG:176硫解酶（FcTHL）如何乙酰化5-ASA，將FcTHL的乙酰化未配體晶體結(jié)構(gòu)疊加在乙?；蚪饷妇w結(jié)構(gòu)上，與來自充分表征的革蘭氏陰性分枝菌（ZrTHL）的乙酰輔酶A復(fù)合。隨后將FcTHL與NAT (PDB ID: 2PFR)的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行比對(duì)，進(jìn)一步探究厚壁菌CAG:176硫解酶的推定活性位點(diǎn)是否類似于腸道鏈球菌NAT的活性位點(diǎn)，最終揭示了活性位點(diǎn)區(qū)域中的半胱氨酸和組氨酸三聯(lián)體。

圖3?5-ASA在體外的乙?；钚缘淖C實(shí)

4、IBD治療失敗與5-ASA代謝酶的宏基因組攜帶有關(guān)

基于臨床服用5-ASA的個(gè)體差異性，接下來檢查12種乙酰轉(zhuǎn)移酶的存在是否與5-ASA治療失敗有關(guān)。收集39名在任何時(shí)間點(diǎn)接受5-ASA治療及使用類固醇患者的609份糞便樣本，使用多變量邏輯回歸模型，調(diào)整與疾病風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)了因素-年齡、性別、吸煙狀況和IBD亞型，納入每個(gè)參與者的NAT2表型來解釋宿主遺傳，最終發(fā)現(xiàn)糞便樣本中存在4種乙酰轉(zhuǎn)移酶基因與類固醇起始風(fēng)險(xiǎn)增加顯著相關(guān)。4種乙酰轉(zhuǎn)移酶基因有三種來自硫解酶超家族，一種來自?；o酶A超家族。且較早的發(fā)病年齡和CD與UC狀態(tài)相比，同樣與開始使用類固醇的更高風(fēng)險(xiǎn)顯著相關(guān)。但未發(fā)現(xiàn)類固醇使用風(fēng)險(xiǎn)和大腸桿菌NAT的宏基因組存在聯(lián)系。

在敏感性分析中，微生物乙酰轉(zhuǎn)移酶基因數(shù)量的增加與類固醇起始風(fēng)險(xiǎn)的增加顯著相關(guān)；從未使用過5-ASA治療的患者基因家族與類固醇的使用沒有正相關(guān)。隨后使用混合效應(yīng)模型對(duì)參與者進(jìn)行調(diào)整，發(fā)現(xiàn)存在三個(gè)或更多乙酰轉(zhuǎn)移酶基因也與類固醇使用風(fēng)險(xiǎn)增加相關(guān)，這在隨后在未使用類固醇的208名5-ASA使用者隊(duì)列中得到了驗(yàn)證。

圖4腸道微生物5-ASA滅活乙酰轉(zhuǎn)移酶與5-ASA使用者治療失敗的更大風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)

研究總結(jié)

本研究結(jié)果首次提供了特異性腸道代謝酶與IBD 5-ASA治療失敗之間的直接聯(lián)系，從而產(chǎn)生了直接的臨床潛力。5-ASA是UC最常用的處方藥。為了保持有效，它必須以未修飾的形式存在于結(jié)腸腔中，因此，與其他藥物不同，它在小腸中的吸收很差。5-ASA治療失敗的個(gè)體通常進(jìn)展為風(fēng)險(xiǎn)更高的免疫抑制治療，而只有在必要時(shí) (即腸道微生物組中存在修飾5-ASA的硫解酶序列)才有能力這樣做，這將為精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)提供有價(jià)值的生物標(biāo)志物。此外，闡明微生物失活5-ASA的酶學(xué)機(jī)制可能有助于未來研發(fā)微生物特異性酶抑制劑，以增強(qiáng)5-ASA的療效。在本研究中，我們的數(shù)據(jù)是觀察性的；需要更多的介入研究來加強(qiáng)我們的發(fā)現(xiàn)，無論是通過在IBD患者中的臨床試驗(yàn)還是通過單定植小鼠。目前，這些發(fā)現(xiàn)為IBD的個(gè)性化微生物醫(yī)學(xué)打開了一扇概念之窗。