揭示病原菌感染新策略
近日，华中农业大学生物医学与健康学院、生命科学技术学院李姗教授课题组与南方科技大学傅暘研究员课题组合作研究成果以“Structural insights into caspase ADPR-deacylization catalyzed by a bacterial effector and host calmodulin”为题在Molecular Cell发表。
研究综合运用生物质谱、结构生物学、生物化学、细胞生物学等多学科手段，揭示了病原细菌催化全新骨架的蛋白质翻译后修饰ADP-核糖脱氨环化（ADPR-deacylization）修饰caspase进而调控宿主程序性细胞死亡的分子基础，为深入理解病原细菌的致病机制提供了全新的视角，也为开发相关细菌感染性疾病药物提供了新靶点和理论基础。
病原细菌利用Ⅲ型分泌系统（Type III Secretion System，T3SS）向宿主“注射”效应蛋白，模拟或操纵宿主的信号转导通路，促进侵染和定殖，是许多革兰氏阴性病原细菌的核心感染策略。紫色色杆菌是一种新兴的人类致病菌，具有多重耐药性，感染致死率高，然其致病机制尚不明晰。李姗教授实验室围绕“病原-宿主”互作分子机制进行研究，在紫色色杆菌致病机理方面取得一系列进展。
▲紫色色杆菌效应蛋白CopC作用机理
李姗教授实验室在早前的研究发现，紫色色杆菌T3SS效应蛋白CopC可催化一种全新骨架的蛋白质翻译后修饰靶向宿主细胞多个半胱天冬酶（caspase），从而调控多种程序性细胞死亡信号通路，促进自身感染与繁殖。课题组将CopC催化的新型蛋白质翻译后修饰命名为ADP-核糖脱氨环化（ADPR-deacylization），并发现与CopC具有相同酶学活性的效应蛋白还存在于其它病原菌中，表明 CopC家族蛋白通过ADP-核糖脱氨环化修饰caspase蛋白来干扰宿主细胞死亡信号通路是病原菌普遍使用的一种致病策略。
值得注意的是，这一新颖的蛋白质翻译后修饰，需要在人类宿主特异存在的钙调蛋白（Calmodulin，CaM）帮助下完成，保证了病原细菌毒力蛋白只在进入宿主后才发挥功能。
▲紫色色杆菌效应蛋白CopC调控机理
为了进一步研究CopC如何催化ADP-核糖脱氨环化这种新型蛋白质翻译后修饰以及辅因子CaM如何调控CopC的酶学活性，李姗教授课题组又和南方科技大学傅暘研究员课题组合作展开了进一步研究。
研究人员首先利用串联质谱鉴定到CopC对caspase-7/-8/-9进行多位点修饰，而对caspase-3只进行单一位点修饰，于是caspase-3被选为合适的底物蛋白进行后续结构研究。研究人员利用单颗粒冷冻电镜技术成功捕捉到CaM-CopC-caspase-3三元复合物与配体NAD+在反应前、反应中和反应后三种状态下的高分辨率结构，结合生化实验分析和功能验证，全面揭示了CopC识别配体/底物/辅因子的机制，通过不同反应状态的结构比对，又阐明了CopC独特的酶学催化反应的分子基础，以及反应完成后底物离去的分子机制。
▲CaM-CopC-caspase-3三元复合物结构
研究发现，CopC由N端的催化结构域（N-terminal catalytic domain, NCD）以及C端的锚蛋白重复结构域（ankyrin repeats domain，ANK）构成，其整体结构形似一只手：NCD的N端向外延伸的螺旋结构代表大拇指；NCD的其余部分代表手掌；ANK结构域的四对螺旋结构代表4个手指。CopC通过ANK形成的手指抓住底物caspase-3，同时caspase-3的活性区域（包含修饰位点R207所在loop区）贴在NCD形成的手掌上。辅助因子CaM则像一个扳指套在CopC的大拇指上，调节催化反应活性。
▲团队设计的封面被选为Molecular Cell 选为封面故事
CopC的这一催化特征，让李姗老师联想到了中国古代皇帝的“玉扳指”，戴上扳指的手，就仿佛拥有了某种“功能”，可以“书写”一种新型蛋白质翻译后修饰。基于这一构想，团队融合中国传统文化元素，创作了一幅戴着“玉扳指”、手持毛笔在折扇扇面上书写CopC催化的新型蛋白质翻译后修饰分子式的创意封面。
值得一提的是，这一颇具中国风的封面创意被Molecular Cell杂志选为2022年12月的封面故事，并得到了同行的广泛好评。
真核宿主中特异存在的钙调蛋白CaM是控制CopC活性的开关，那CaM是如何帮助CopC发挥功能的呢？研究人员比较了CopC-caspase-3二元复合物和CaM-CopC-caspase-3三元复合物的结构发现，在有CaM存在时，CopC的NCD催化结构域才可以正确折叠、有序组装。体外生化分析表明，Ca2+-free形式的CaM能够明显促进CopC催化活性，增进与底物caspase-3的结合能力，Ca2+-bound形式的CaM则使CopC处于无催化活性的状态，这一发现与宿主细胞静息状态处于低钙环境是一致的。
研究人员在细胞中上调或下调钙调蛋白的表达量，对病原菌感染时CopC的活性有对应的调控作用。紫色色杆菌感染小鼠模型中也表明CopC与CaM的结合能力，对病原菌在小鼠肝脏的定殖以及对小鼠的感染致死能力至关重要。紫色色杆菌选择CaM来作为自身毒力因子的辅因子是一个很机智的选择，它巧妙地运用宿主细胞体内Ca2+浓度的变化来实现对毒力蛋白的活性调控。
该研究系统揭示了紫色色杆菌利用效应蛋白CopC催化全新骨架的蛋白质翻译后修饰靶向宿主细胞死亡信号通路的分子机制，并首次于体内外全面阐述了宿主特异性辅因子CaM调控CopC活性的机理，为深入理解病原细菌的致病机制提供了全新的视角，为开发基于“病原-宿主”互作过程的特异性抗菌药物提供了潜在靶标和理论基础。
华中农业大学李姗教授和南方科技大学傅暘研究员为论文共同通讯作者，傅暘研究员课题组张阔博士、田苗博士，李姗教授课题组博士研究生彭婷、陶新园为论文共同第一作者，李姗教授课题组多位硕博研究生参与了该研究。
论文链接：https://www.cell.com/molecular-cell/fulltext/S1097-2765(22)01060-7
发现 “真菌类病毒”
近日，湖北洪山实验室、华中农业大学果蔬园艺作物种质创新与利用全国重点实验室徐文兴教授果树病理学研究团队研究成果以“Novel Viroid-Like RNAs Naturally Infect a Filamentous Fungus”为题在Advanced Science封面发表。
研究在国际上首次报道了从真菌内发现的一类类似于类病毒的生物，命名为“真菌类病毒（mycoviroid）”，证明真菌类病毒具有基因调控功能和生物活性，是目前报道的唯一一类能够自然侵染真菌，并在真菌内复制的小单链环状RNA分子生物。
该发现为采用亚病毒开展作物真菌病害生物防控打开了一扇新的窗口。
类病毒（viroid）是一类侵染高等植物的具有自我复制能力的单链闭合环状小RNA分子，大小为246-434个核苷酸，有时为潜伏侵染，但有时也引起病害，导致作物严重损失，是世界上已知的最小生物。
目前，植物为类病毒的唯一自然寄主，在其它细胞生物内是否存在类病毒或其它单链环状RNA分子生物尚不清楚。
该研究前期从植物病原真菌-葡萄座腔菌（Botryosphaeria dothidea）中分离得到了一类小的RNA条带，经鉴定为外源单链环状RNA分子，大小为157-450个核苷酸，并将其命名为葡萄座腔菌环状RNA（Botryosphaeriadothidea cirRNA, BdcRNA）1-3，其二级结构呈多分枝状，能够经菌丝水平传播和经孢子垂直传播。
通过Northern blot 及荧光原位杂交发现，BdcRNA1～3在真菌细胞核中以对称滚环方式进行复制，但具有不同的自催化能力。其中，BdcRNA2具有一种新型的核酶结构（不同于类病毒的锤头型核酶），可以进行RNA自我剪切，而BdcRNA1和3不具有核酶活性。
构建BdcRNA1～3二聚体RNA转染真菌原生质体，表明三种环状RNA因种类不同调节寄主真菌的形态、生长速度、致病力、渗透压和氧化应激能力等生物学性状发生不同程度的变化，特别是BdcRNA1转染后可以使真菌菌丝生长更加“健壮”，但致病性丧失，显示了良好的生防应用潜能。
进一步采用转录组和荧光定量RT-PCR分析，显示BdcRNA引起寄主生物学性状变化与其改变寄主的相关代谢通路相关。
该研究在国际上首次报道了一类感染真菌的小单链环状RNA分子，代表一类新的基因组成上处于生命边缘的生物，具有基因调控功能，是一类新的表观信息调控携带因子，是目前报道的唯一一类能够自然侵染真菌并在真菌内自我复制的单链闭合环状RNA分子生物，也是目前报道的唯一一类能够自然侵染植物以外生物的类似于类病毒（或外源小环状RNA）的分子生物，命名为“真菌类病毒（mycoviroid）”，并定义为：“一类感染真菌类似类病毒的单链环状RNA分子”。
此外，该研究还首次提供了一种环状RNA分子在真菌内的亚细胞定位、复制、分布和移动的实验证据。“真菌类病毒”的发现，为全面理解真菌的变异及采用“真菌类病毒”开展作物真菌病害的生物防治打开了一扇新的窗口。
华中农业大学植物科学技术学院博士研究生董凯莉为论文第一作者，徐文兴教授为论文通讯作者。研究团队的王国平教授、洪霓教授以及中国农业科学院植物保护研究所李世访研究员参与了研究指导；植物科学技术学院的姜道宏教授和津田贤一教授在实验设计上给予了部分建议；英国帝国理工学院Ioly Kotta-Loizou博士、赫特福德大学Robert H. A. Coutts教授、西班牙植物分子与细胞生物学研究所Ricardo Flores教授以及José-Antonio Daròs教授给予了帮助。
论文链接：http://doi.org/10.1002/advs.202204308
发布猪基因组精准选配技术体系
近日，华中农业大学动物科学技术学院、动物医学院赵书红教授研究团队研究成果以“Development and application of an efficient genomic mating method to maximize the production performances of three-way crossbred pigs”为题在Briefings in Bioinformatics发表。
研究创建了完整的三元商品猪基因组精准选配技术体系，并首次利用该技术开展杜洛克、长白、大白三元商品猪生产。研究提出了一种快速估计标记效应值的新方法，研究结果显示，通过应用基因组精准选配技术，三元猪饲料转化效率、平均日增重等6个经济性状表型均值显著优于随机交配组合。该研究为优良基因的高效利用提供了新的技术体系。
当前，杜洛克、长白、大白三系配套杂交是商品猪生产的主流模式，满足了我国90%的猪肉供应，主要是通过品种间配合力测定来确定最佳品种组合，从而达到提高三元商品猪生产性能的目的。
然而，配套系培育也有其不足，整个过程复杂，周期长、成本高，且无法保证每个公母猪配对的杂种优势最大化。
随着高通量测序技术发展，基因组信息开始用于选配，能够将传统配套系的“品种水平”群体选配升级为“个体水平”精准选配。
基因组精准选配流程包括：首先，利用三元商品猪参考群体估计标记效应值；然后，根据待配公母猪的基因组信息计算所有交配组合后代的基因型概率；最后，整合标记效应和基因型信息计算三元商品猪后代的期望遗传值，根据后代期望遗传值最大化原则推荐杜洛克公猪和长大二元母猪最佳配对组合。
▲基因组精准选配流程图。三元商品猪参考群体的基因型数据和表型数据用于计算标记效应值，杜洛克公猪和长大二元母猪的基因型数据用来计算所有交配组合后代的基因型概率，根据标记效应值与基因型信息计算交配组合后代的期望遗传值，根据期望遗传值最大化原则推荐杜洛克公猪和长大二元母猪最佳配对组合
为测试基因组精准选配应用效果，研究使用875头纯种杜洛克公猪、350头长大二元母猪和3573头杜长大三元商品猪的基因型和表型数据进行基因组选配分析，系统评估了基因组精准选配所能带来的效益。
与随机交配相比，基因组精准选配后代料重比下降0.12；30kg~120kg测定日龄缩短4.64天；眼肌面积增加2.65cm²。同时，研究还显示可用的杜洛克公猪越多，基因组精准选配三元后代生产性能提升效果越明显。
当前，联合应用基因组选择和基因组精准选配技术，能够最大限度利用优良基因效应来提升养殖效益，该模式尤其适用于具有高端核心群和大规模公猪站的龙头企业。
未来，随着多组学技术、智能表型组技术的发展，基因组精准选配效果仍有较大提升空间。例如，基于多组学整合分析设计的功能位点基因芯片，能够打破传统标记位点基因芯片的连锁不平衡，提升芯片位点信息含量和位点效应在不同群体中的通用性；团队创建的整合组学知识库IAnimal将为功能位点基因芯片设计和优化提供重要支撑。同时，智能表型组技术能够拓宽表型测定的维度和准确性，两项技术的联合应用将进一步提高基因组精准选配效果。
另外，基因组精准选配算法具有通用性，不仅可以用于猪，也可以用于牛、羊、禽等物种的精准选配分析。
华中农业大学动物科学技术学院、动物医学院博士研究生唐振双和博士后尹立林为论文共同第一作者，赵书红教授、李新云教授和刘小磊教授为论文共同通讯作者。该研究工作得到广西扬翔、武汉影子基因等公司的支持。
HiBLUP基因组精准选配模块：https://www.hiblup.com/tutorials#genomic-mating
论文链接：https://doi.org/10.1093/bib/bbac587
揭示胶质瘤干细胞核糖体生物发生通路异常激活的分子机制
近日，华中农业大学生物医学与健康学院、生命科学技术学院陶伟伟教授课题组与美国克利夫兰医学中心鲍仕登团队合作研究成果以“NIR Drives Glioblastoma Growth by Promoting Ribosomal DNA Transcription in Glioma Stem Cells”为题在Neuro-Oncology发表。
研究发现一个新颖的细胞核核仁蛋白NIR（Novel INHAT Repressor）通过激活核糖体DNA（ribosomal DNA, rDNA）转录促进蛋白质的合成, 进而促进胶质瘤干细胞的自我更新和胶质母细胞瘤的恶性生长。研究成果将为胶质母细胞瘤的防治提供潜在的靶点和干预策略。
胶质母细胞瘤 （Glioblastoma, GBM）是成人中最常见和最致命的原发性脑肿瘤。尽管目前在诊断和治疗方面取得了一些进展，但GBM患者的预后仍很差。GBM被WHO归类为IV级（最高级）神经系统肿瘤，确诊患者的中位生存期仅为14到16个月。
大量的研究表明GBM中存在着肿瘤干细胞亚群，被称之为胶质瘤干细胞（Glioma stem cells，GSCs）。GSCs有超强的自我更新与多向分化能力，与肿瘤发生、持续生长和复发密切相关。
核糖体是细胞中由核糖体RNA 和核糖体蛋白组成的核糖核蛋白颗粒，是细胞内蛋白质合成的分子机器，其功能是按照mRNA的指令将遗传密码转换成氨基酸序列并合成蛋白质多肽链。核糖体的生成主要在细胞核的核仁中进行，首先rDNA转录产生45S pre-rRNA，再通过剪切加工生成三种核糖体RNA，分别为28S、18S和5.8S rRNA，再与其他组分一起组装成核糖体大小亚基，转运至细胞质最终形成核糖体，作为蛋白质合成的工厂。
核糖体与细胞的生长、增殖、分化以及癌症的发生紧密相关。肿瘤细胞包括肿瘤干细胞核糖体生物发生通路通常被异常激活，从而促进了肿瘤细胞的快速增殖。然而，在GSCs中，控制核糖体生物发生通路异常活化的分子机制仍然不是很清楚。
▲图1. NIR调控胶质瘤干细胞 (GSCs) rDNA转录和蛋白质的合成。A-B, EU (5-Ethynyl uridine) 掺入实验显示敲降NIR抑制了GSCs的rDNA转录和rRNA合成; C-D, OPP (O-Propargyl-puromycin) 掺入实验显示敲降NIR抑制了GSCs的蛋白质合成。
通过GBM病人数据库分析和免疫组化实验，研究人员发现一个新颖的蛋白NIR在GBM组织中高表达。而NIR基因的高表达预示着GBM患者的预后较差。
进一步的研究发现NIR主要在胶质瘤干细胞 (GSCs) 中表达, 并且定位于GSCs的核仁内。表型分析发现NIR对于GSCs的增殖和自我更新至关重要，且NIR促进了GSCs rDNA转录和rRNA的合成（图1A-B），进而影响了蛋白质的合成（图1C-D）。研究人员还发现NIR对于维持核仁的大小起着重要的作用。
▲图2. NIR促进胶质瘤干细胞核糖体生物发生的模式图
动物实验结果也证实NIR促进了GBM的颅内生长， 敲降NIR抑制了体内的细胞增殖，GSCs的数量以及核糖体DNA的转录。
通过免疫共沉淀结合液相色谱-质谱联用分析，研究人员发现NIR可以和两个重要的核仁转录因子NCL和NPM1相互作用。而且，NIR并不影响NCL或NPM1的表达。进一步的机制研究发现NIR与NCL和NPM1形成蛋白复合物并结合到rDNA的启动子上，促进了rDNA的转录和rRNA的合成。rRNA含量的提高增加了核糖体的组装，从而增加了蛋白质的合成，导致了GSCs的快速增殖、自我更新和GBM的恶性生长（图2）。
先前的报道认为NIR是个转录抑制因子，通过抑制下游靶基因的转录从而发挥特定的功能。而我们的研究证实在GSCs中，NIR是个转录激活因子，可以激活下游rDNA的转录。因而，在不同的细胞中NIR发挥着不同的功能，从而可以行使转录激活因子或转录抑制因子的作用。
该研究首次发现NIR在GBM 和GSCs中高表达，而在正常脑组织和神经前体细胞中表达量很低。NIR作为关键的转录因子促进了GSCs核糖体发生通路的异常激活。GSCs通过高表达NIR, 从而促进了核糖体DNA的转录和核糖体的组装，进而促进了GSCs的恶性增殖和自我更新。因此，靶向NIR或者阻断NIR与NCL/NPM1的结合将可能成为潜在的临床干预策略。
该研究由华中农业大学、美国克利夫兰医学中心和匹兹堡大学等校合作完成。华中农业大学陶伟伟研究员为论文第一作者，陶伟伟研究员和克利夫兰医学中心鲍仕登教授为论文共同通讯作者，陶伟伟课题组硕士、博士研究生雷红、罗文龙、凌鹏和郭孟悦参与了部分研究。华中农业大学董志强教授、徐曙彤教授, 武汉同济医院曾亮教授，南京医科大学汪秀星教授，匹兹堡大学Jeremy Rich教授、吴秋莲博士也参与了部分研究。
论文链接：https://doi.org/10.1093/neuonc/noac272
来源：
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