导读： 多肽序列中的阳离子氨基酸是宿主防御肽具有抗菌活性关键，如赖氨酸和精氨酸。因此，目前宿主防御肽模拟聚合物的结构设计中一般引入赖氨酸的伯胺结构或精氨酸的胍基结构以获得有效抗菌的阳离子聚合物。华东理工大学刘润辉教授课题组长期从事抗耐药菌和感染治疗研究。本研究发现，仲胺可以作为一类阳离子用于模拟宿主防御肽的结构设计，并通过仲胺作为阳离子基团的β多肽聚合物模拟天然宿主防御肽获得高效抗菌活性和优异抗菌选择性。这一结构设计新思路对今后模拟宿主防御肽研究具有启发意义。该成果以“Secondary Amine Pendant β-Peptide Polymers Displaying Potent Antibacterial Activity and Promising Therapeutic Potential in Treating MRSA-induced Wound Infections and Keratitis”为题发表在《美国化学会志》（J. Am. Chem. Soc. 2022, DOI: 10.1021/jacs.1c10659）。本研究中，研究人员设计合成一系列侧链中碳原子个数相同但氨基种类不同的β多肽聚合物（伯胺、仲胺、叔胺）用于探究非伯胺类的氨基结构是否能赋予宿主防御肽模拟聚合物优异的抗菌效果。优选的仲胺β多肽均聚物展现出对多种耐药菌高效抗菌活性、低溶血与低细胞毒性。这类化合物可以实现快速杀菌，且连续使用抗菌仲胺β多肽均聚物未发现细菌获得耐药性。优选仲胺β多肽均聚物的快速杀菌和低耐药性风险特性提示，这类聚合物的杀菌机理有可能与宿主防御肽相似，通过作用于细菌细胞膜杀菌。机理研究中发现仲胺β多肽均聚物对革兰氏阴性菌和阳性菌均具有明显的膜扰动作用。SEM和TEM的表征进一步表明，聚合物与细菌共培养后会造成明显的细菌细胞膜算坏和细胞内物质流失。这些机理研究结果均进一步支持和解释了上述仲胺β多肽均聚物的快速杀菌和低耐药性风险优势。此外，仲胺β多肽均聚物展示出有效体内抗耐药菌活性，在小鼠全皮层感染模型和角膜炎模型中其展现出治疗体内耐金黄色葡萄球菌感染有效抗耐药菌感染功能。而且，优选仲胺β多肽均聚物具有低毒性和优异生物相容性。该研究表明仲胺作为一类阳离子在宿主防御肽模拟物结构设计中值得关注。华东理工大学博士研究生钱宇芯是该论文的第一作者，华东理工大学刘润辉教授和合作者威斯康星大学Samuel H. Gellman教授为共同通讯作者。该成果得到了国家自然科学基金委等基金的资助。论文链接: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c10659

关键词：多肽,宿主,防御,抗菌,聚合物,模拟,杀菌,阳离子,耐药,感染

导读： 慢性炎症和氧化/抗氧化系统失衡在许多眼部疾病的发病机制中起重要作用。使用抗炎药和/或抗氧化剂缓解慢性炎症是临床预防和治疗眼部疾病特别是眼表疾病（例如,干眼病、青光眼、葡萄膜炎）的主要手段。基于此，温州医科大学附属眼视光医院李星熠研究员团队报道了一种多功能药物-多肽超分子水凝胶体系用于提高体内外抗炎疗效（Multifunctional supramolecular filament hydrogel boosts anti-inflammatory efficacy in vitro and in vivo, DOI: 10.1002/adfm.202109173），相关结果在《Advanced Functional Materials》期刊上发表。该研究团队将非甾体抗炎药物（布洛芬）、抗氧化活性分子（1,2-二羟基苯甲酸）和自组装多肽序列（GFFYD）通过化学耦合的方式构筑了一种多功能药物-多肽超分子水凝胶体系。该药物-多肽超分子水凝胶被细胞摄取后，能在胞内快速的水解释放出活性抗炎药物分子布洛芬，通过抑制核因子-κB（NF-κB）通路、janus激酶信号转导和转录激活因子(即JAK-STAT)通路以及NLR家族pyrin结构域3(即NLRP3)炎性小体激活，显著降低相关炎性因子（如COX-2、IL-1β、IL-6和TNF-α）水平；同时，释放出来的抗氧化结构单元可通过激活Nrf2通路，从而提高氧自由基清除能力，减少氧化应激损伤，协同增强其抗炎疗效。进一步将该水凝胶体系应用到兔急性葡萄膜炎模型中，发现其体内抗炎疗效优于目前临床常规使用的0.1%双氯芬酸钠滴眼液。该研究为药物-多肽超分子水凝胶治疗炎症相关眼病提供了一种新策略与方法。 图1 多功能药物-多肽超分子水凝胶协同增强体内外抗炎疗效图2 多功能药物-多肽超分子水凝胶通过抑制NF-κb通路、减少P65入核以及炎症小体3通路提高抗炎疗效图3 多功能药物-多肽超分子水凝胶通过激活抗氧化相关通路，促进Nrf2入核作用，减少氧化应激损伤，协同增强抗炎疗效图4 多功能药物-多肽超分子水凝胶体内抗炎疗效优于临床常规使用的0.1%双氯芬酸钠滴眼液温州医科大学邓婕、林德青、丁翔宇为论文第一作者，温州医科大学李星熠研究员为论文通讯作者。原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202109173

关键词：分子,多肽,凝胶,药物,疗效,多功能,通路,抗炎,相关,体内

导读： 2022年3月17日，中国科学院生物物理研究所范祖森课题组在《Cellular & Molecular Immunology》杂志发表了题为"Induction of functional neutrophils from mouse fibroblasts by thymidine through enhancing Tet3 activity"的文章，首次报道了代谢物胸腺嘧啶小分子可以诱导成纤维细胞向中性粒细胞的命运转化。中性粒细胞由骨髓造血干细胞向下游分化形成，是人体内循环白细胞中数量最多的一群，也是机体抵御入侵病原体的第一道防线。向炎症部位聚集时，中性粒细胞通过胞吞作用、脱颗粒释放抗菌分子、形成胞外陷阱等主要效应来清除病原体。此外，中性粒细胞也通过分泌细胞因子来参与宿主免疫反应。已有临床数据显示，中性粒细胞的先天缺陷，如Kostmann综合征所致中性粒细胞缺乏症患者，会因重度感染引发败血症、感染性休克和多器官衰竭，从而导致致命的后果。而当前，针对这种状况临床仍然主要依靠经验性的抗生素治疗。粒细胞集落刺激因子或粒细胞巨噬细胞集落刺激因子的免疫治疗，和从健康供者获得供体粒细胞进行异体细胞治疗虽可使感染和败血症的发生率减低，但这些细胞成分产品具有可能的感染传播，输血反应和人类白细胞抗原同种异体免疫等风险，其应用大大受到限制。近年来再生医学的发展，让由自体诱导解决细胞来源问题成为可能。体细胞重编程技术发展到今天，通过导入命运决定的关键转录因子组合，除可将终末分化的细胞逆转为诱导性多能干细胞（iPS）外，在特定的条件下，还能够实现由终末分化的成纤维细胞或B细胞向神经元、心肌细胞、肝细胞、红细胞等单一细胞谱系的直接转分化，从而规避了iPS细胞应用的潜在风险。小分子化合物组合诱导重编程和命运转化的方案具有结构稳定、便于时间和浓度的精确可控等优势，较之转录因子外源基因的导入更适用于未来的临床应用。本研究发现，代谢物胸腺嘧啶小分子可以诱导成纤维细胞向中性粒细胞的命运转化。诱导形成的中性粒细胞（iNeu）具备粒细胞谱系的典型形态和表达谱特征，以及中性粒细胞的功能，能够正常诱导粘附、迁移及吞噬细菌。我们进一步通过转分化过程的表达谱测序分析及荧光示踪，证明了胸腺嘧啶诱导了成纤维细胞向中性粒细胞的直接转分化，并不经过iPS或造血干祖细胞阶段。经过iNeu细胞长期多次移植的受体鼠造血系统维持正常，体内未见肿瘤发生，初步证明了iNeu应用于体内的安全性。我们进一步发现，胸腺嘧啶的下游代谢产物干预了细胞的TCA循环，促进了细胞内α-酮戊二酸的积累，从而提高了Tet3双加氧酶DNA去甲基化活性，增强下游Cebpδ及 Rfx1转录因子的表达，决定细胞向粒细胞谱系的转分化。我们的发现为体外获得中性粒细胞用于感染性疾病及粒细胞减少症等疾病的治疗提供了实验依据。图1. 胸腺嘧啶促进成纤维细胞向中性粒细胞转化。（A）分子机制示意图。（B）iNeu具有原代粒细胞谱系典型形态。（C）iNeu高表达原代中性粒细胞特征基因。（D-E）在沙门氏菌感染中，iNeu移植提高受体鼠的存活率。中国科学院生物物理研究所叶步青副研究员、田勇研究员及范祖森研究员为本文的共同通讯作者，副研究员叶步青、博士研究生杨柳柳、博士后刘本宇、博士生刘念及助理研究员范东东为并列第一作者。该研究得到国家自然科学基金、科技部重点研发计划、北京市自然科学基金和中科院先导专项的经费支持。文章链接：https://www.nature.com/articles/s41423-022-00842-9 （供稿：范祖森研究组）

关键词：粒细胞,中性,细胞,诱导,iNeu,纤维细胞,因子,嘧啶,胸腺,分子

导读： 2月3日，中国科学院上海巴斯德研究所刘星课题组在《自然》（Nature）上，发表题为Streptococcal pyrogenic exotoxin B cleaves GSDMA and triggers pyroptosis的研究论文。该研究首次发现并报道化脓链球菌GAS毒力因子SpeB通过切割激活GSDMA触发皮肤上皮细胞焦亡并抑制其系统性感染。A族链球菌（Group A streptococcus，GAS），又称化脓链球菌（Streptococcus pyogenes），是自然界广泛存在的一种强毒力致病菌，可通过宿主皮肤及呼吸道黏膜感染并引发多种疾病，包括猩红热、丹毒、致命坏死性筋膜炎、中毒性休克及脓毒症等。全球每年约有7亿人受其感染（50多万死于中重度感染）。GAS的皮肤定植及侵袭能力与其分泌的毒力因子密切相关，其中关键毒力因子之一是链球菌热原外毒素B（streptococcal pyrogenic exotoxin B，SpeB）。GAS感染后临床严重程度与其SpeB表达量呈显著负相关，而具体分子机理尚不清晰。为探究SpeB在GAS侵袭性感染中功能，研究利用GAS小鼠皮肤感染模型，比较野生型及不同毒力因子缺失GAS菌株致病能力。结果显示，相比于野生型及其他毒力因子缺失菌株感染后出现的严重化脓和坏死性病变，SpeB缺失GAS菌株感染后感染部位未观察明显皮肤溃烂且中性粒细胞明显减少；同时，小鼠表现出更严重的系统性感染和死亡。通过原代皮肤角质细胞GAS感染实验发现，相比于其他菌株，GAS SpeB的缺失使其丧失诱导细胞焦亡样细胞死亡的功能，并促进其系统性感染。在此基础上，研究运用CRISPR/Cas9全基因组敲除筛选平台，筛选鉴定出SpeB诱发皮肤上皮细胞焦亡的关键蛋白：GSDMA——炎性细胞死亡（焦亡）关键执行者Gasdermins家族成员之一。进一步，研究从分子层面详细解析了SpeB激活GSDMA机制：SpeB特异性剪切GSDMA（而非Gasdermins家族其他成员），产生约27kDa的N-末端片段并诱导细胞焦亡；Edman测序和质谱分析发现SpeB切割GSDMA第246位氨基酸；胞内导入体外纯化的GSDMA 1-246aa片段可直接诱导细胞焦亡；脂膜试纸条和脂质体结合实验揭示GSDMA 1-246aa能够与细胞膜磷脂以及含有相应磷脂的脂质体结合；脂质体泄漏实验证明GSDMA 1-246aa能够在特定脂质体上成孔；序列比对结果显示该剪切位点在小鼠Gsdma1中保守；SpeB诱导的Gsdma1切割可诱发小鼠上皮细胞焦亡；小鼠GAS感染部位可检测到Gsdma1剪切；相比于野生型小鼠，Gsdma1的敲除使其对GAS感染更加敏感。该研究首次发现并报道皮肤上皮细胞（KCs，“宝船”）表达的GSDMA分子（“火炮”）既作为外源病原感受器识别化脓链球菌（GAS，“海盗船”）毒力因子SpeB（“钩锁”），同时作为免疫效应器在细胞膜上打孔（“炮筒”），释放炎性因子（“炮火”）引起细胞焦亡及皮肤化脓坏死性病变，以控制病原菌进一步系统性感染。该研究揭示了机体免疫防御应答中的新型机制——单一蛋白（GSDMA）同时作为病原菌感受器和宿主效应因子，并为由如化脓链球菌等致病菌感染引起的相关疾病的临床治疗提供了新靶点和新思路。论文链接 研究揭示新型抗化脓链球菌感染免疫应答机制（示意图绘制：Yu He）

关键词：感染,GAS,SpeB,GSDMA,皮肤,因子,化脓,焦亡,细胞,毒力

导读： 间充质干细胞 (mesenchymal stem cells, MSCs) 是一种重要的多潜能干细胞，具有自我更新和多潜能分化能力，可以分化为成骨细胞、脂肪细胞和软骨细胞等。此外，间充质干细胞还可以通过分泌因子，支持神经元的发育、调节炎症环境以及促进血管生成和伤口愈合。因此，MSCs在细胞治疗和再生医学中具有较强的应用前景，是临床应用最广的干细胞产品之一。然而，MSCs的细胞异质性较大，细胞群体间具有不同的增殖、分化和免疫调节能力，限制了MSCs的应用和治疗效果。MSCs的细胞组成如何？MSCs的细胞亚群特征如何？是否存在特异性标志物（marker）可以将MSCs功能亚群进行分类和纯化？这些都是领域亟需解决的关键科学问题。2月2日，中国科学院北京基因组研究所（国家生物信息中心）王前飞研究组，于Genomics, Proteomics & Bioinformatics 杂志在线发表题为“Single-cell Transcriptomic Analysis Reveals the Cellular Heterogeneity of Mesenchymal Stem Cells”的研究论文。该研究收集了成体骨髓和新生儿脐带华通胶两种来源共61,296个MSCs。通过单细胞转录组分析发现，MSCs由5个主要细胞亚群组成，包括增殖活跃的干细胞样亚群（APC）、具有多系分化潜能的间充质祖细胞亚群（MPC）、单潜能脂肪前体细胞亚群、双潜能软骨-成骨前体细胞亚群，以及具有特异性免疫调节功能的软骨前体细胞亚群。此外，这些细胞亚群还存在连续的上下游发育关系，从“干细胞样APC”分化为具有三系潜能的MPC，并最终分别发展为单潜能脂肪前体细胞，或经由双能向单能软骨前体细胞发育。该研究通过全景式地刻画MSCs的细胞异质性，揭示了具有自我更新、多潜能分化、免疫调节等不同功能的细胞亚群及其特征，并结合功能实验验证了功能亚群的特异性标志物及功能独特性。通过识别这些特定功能亚群可推动领域对MSCs的准确定义，有利于更精准地将MSCs用于不同疾病的治疗，实现其临床治疗效果的提高和保障。中国科学院北京基因组研究所（国家生物信息中心）精准基因组医学重点实验室王前飞研究员和李玥莹副研究员是本文的共同通讯作者，硕士研究生张琛和在读博士生韩学帅为本文的共同第一作者。该研究得到国家自然科学基金重大项目、面上项目和中科院青促会等项目的资助。论文链接MSCs的异质性细胞组成及其单细胞发育图谱

关键词：MSCs,细胞,亚群,潜能,功能,干细胞,分化,体细胞,发育,软骨

导读： begin中国农大新闻网讯 近日，食品科学与营养工程学院杨栋副教授在国际材料科学顶级期刊Biomaterials在线发表了题为“Mechanism differences between reductive and oxidative dough rheology improvers in the formation of 1D and 3D gluten network”的研究型论文，系统比较了还原型和氧化型面粉增筋剂的不同增筋机制。食品科学与营养工程学院2020级博士生高吉慧和2021届本科生郭艺展为共同第一作者，杨栋副教授为该文章的通讯作者。拉面中常加入蓬灰(还原型)以增加延展性，面包中则加入偶氮甲酰胺（氧化型）以增加体积。同样被称作增筋剂，这两种增筋剂的化学性质截然相反，那么它们相应的作用机制有何不同？面筋网络由麦谷蛋白半胱氨酸之间的氧化交联形成，并决定了面团的流变学特性。在现实生活中，氧化型和还原型的增筋剂都有相应的应用场合。本研究以焦亚硫酸钠为还原型增筋剂代表，以偶氮甲酰胺为氧化型增筋剂代表，研究它们在一系列不同浓度下对面团吹泡特性、蛋白质分布、麦谷蛋白组成、自由巯基含量的影响。研究中采用了氧化还原等量原则，即使用的氧化剂所夺取的电子数，等于对应浓度还原剂赋予的电子数。在氧化型和还原型增筋剂各自最适浓度下，分析了面筋网络的形成情况。结果显示，焦亚硫酸钠增加了自由巯基含量，疏松了面筋网络，从而增强了面团延展性。偶氮甲酰胺则减少了自由巯基含量，让面筋网络更加致密，增强了面团的韧性和烘焙强度。研究提出，还原剂减少原来面筋网络中的二硫键，导致一维面筋网络的形成；而氧化剂促使二硫键的形成，导致三维面筋网络的形成。本研究为区别不同的面粉增筋剂，以增强它们使用特异性，提供了理论基础。该研究得到了国家自然科学基金委和生物大分子国家重点实验室开放课题的支持。图注：还原型和氧化型增筋剂的作用原理示意图。还原型增筋剂还原了大多数麦谷蛋白之间的二硫键，只留下必要的维系一维面筋网络结构的少部分二硫键；另一方面，氧化型增筋剂氧化了大多数麦谷蛋白上的半胱氨酸从而增强了三维的面筋网络结构。杨栋副教授本科毕业于西安交通大学，受教于分子伴侣研究专家、中国科学院生物物理研究所王志珍院士；博士毕业于美国马里兰大学，师从分子伴侣研究专家、美国科学院院士、英国皇家科学院院士George H. Lorimer教授；耶鲁大学分子生物物理与生物化学系博士后出站后，2016年以 “优秀人才” 引进进入中国农业大学任教。目前主要从事食品生物化学与营养学方面研究，以第一作者或独立通讯作者在Biomaterials, PNAS, Critical Reviews of Food Science and Nutrition等领域顶级期刊上发表论文17篇。杨栋主持国家自然科学基金、国家重点研发计划子课题等多项科研项目，目前为Food Chemistry Molecular Science 客座编辑，并受邀担任Food Chemistry Molecular Sciences首届编委，Frontiers of Agricultural Science and Engineering和《轻工学报》首届青年编委。同时担任Critical Reviews of Food Science and Nutrition, Journal of Agricultural and Food Chemistry, LWT, RCS Advances等18种国内外期刊审稿人。供稿：食品科学与营养工程学院编辑：欧阳永志end分享到：

关键词：氧化,增筋,面筋,还原型,网络,Food,Science,面团,二硫键,增强

导读： 10月15日，中国科学院分子细胞科学卓越创新中心（生物化学与细胞生物学研究所）周斌研究员在国际学术期刊Trends in Cell Biology发表了题为“Harnessing orthogonal recombinases to decipher cell fate with enhanced precision”的综述文章。该文章系统地回顾了正交双同源重组酶系统遗传学操作的发展历程，深入讨论了双同源重组酶系统在各个器官与系统中的应用如何弥补了单同源重组酶系统的局限进而厘清了各领域内的争议问题，并且展望了正交同源重组酶系统未来的发展方向和新的研究思路。Cre-loxP同源重组系统是在多种模式生物，尤其是小鼠中，广泛应用的遗传学操作系统。Cre重组酶能够识别loxP DNA序列并进行DNA序列插入、删除和反转操作。Cre-loxP系统常用于基因的条件型敲除或者重组删除STOP cassette来启动转基因，例如报告基因的表达。尽管其已经发展成为组织特异性与可诱导型的系统，Cre-loxP系统依然存在一些局限性并且导致了一些研究中实验结果的误读。与此同时，多种特异位点重组酶系统，例如Flp-frt、Dre-rox等在噬菌体等生物中被发现。在神经生物学领域中，Susan Dymecki等最早联用Cre和Flp两种特异位点重组酶来精确示踪，发现了中央神经系统中脉络丛和顶板结构的发育来源。由此开始，双同源重组系统被逐步应用到多个研究领域中。该综述以c-Kit+心肌干细胞的为例，聚焦于单重组酶系统依赖于单个基因调控元件的低特异性问题。c-Kit阳性的干细胞曾经被报道为内源性成体心脏干细胞，能够分化为包括心肌细胞在内的多种细胞，为心血管疾病的治疗带来了希望。然而，三个研究组分别使用基于c-Kit的谱系示踪工具并没能发现成年小鼠中c-Kit细胞的成心肌能力。为了厘清这一问题，周斌研究课题组利用Cre和Dre两种重组酶激活的双同源重组系统（DeaLT）来排除传统谱系示踪技术示踪c-Kit成体干细胞时对于心肌细胞的异位标记，实现了心肌细胞和cKit+非心肌细胞同时不可逆标记，从而精确地得出c-Kit阳性成体哺乳动物非心肌细胞在生理或病理情况下均不能发生向心肌细胞转变的结论。DeaLT后续同样被用于探寻所有非心肌细胞向心肌细胞的转变，成体肝细胞和胆管上皮细胞转化的可塑性，新生beta细胞的来源等各种需要同时精准示踪多种细胞类型的问题。随着单细胞转录组学等技术发展，同一细胞类型内的异质性被越来越清晰地认知。双同源重组系统的选择性标记能力也使得研究者能够使用两个标记基因以不同的遗传学构造靶向它们的交集、补集或同时实现多个亚群的标记。通过构造新的基于Cre和Dre双同源重组酶的遗传学策略，周斌研究课题组实现了对于Sca1+细胞中的Sca1与PDGFRa或PDGFRb两群双阳性细胞的谱系示踪，确认了Sca1+ 细胞在动脉平滑肌修复中的作用，并且揭示了Sca1+细胞亚群中各异的平滑肌修复能力。类似方法也被用于脂肪细胞前体细胞和气管肺泡干细胞等细胞群的命运分析，以及神经系统中神经异质性和神经环路的标记。PDGFRa与PDGFRb双阳性与单阳性亚群只有使用双同源重组系统才能够进行同时地标记并平行分析，从而直接就三种细胞亚群对于新生脂肪细胞的贡献进行比较。传统方法也无法特异标记同时表达Club和AT2细胞标记基因CC10和SPC的气管-肺泡干细胞（BASCs），而研究人员通过双同源重组系统和Split-Cre系统分别独立对BASCs进行谱系示踪并就其对于肺损伤的修复贡献进行了探究。Josh Huang等则通过联用脑区域病毒注射、Cre与Flp双同源重组系统和Tet-On系统等，实现了通过神经连接、脑区位置、基因表达谱、发育时期和来源等多种维度的亚群标记GABA能神经元，对于揭示其各异的功能具有重大意义。为了更好地研究目标细胞的生理功能与机制，特定细胞亚群的基因敲除或者细胞清除也可以通过双同源重组系统实现，弥补了广泛基因敲除或细胞清除不特异在研究细胞亚群功能中的缺陷。周斌研究课题组通过Plin1-dCreER策略实现了靶向无特异标记基因的白色脂肪细胞亚群（WAT）的Cre活性，从而实现在WAT中转录因子PPARγ的编码基因的敲除。此外，Wt1-CrexER通过Dre重组膜定位雌激素受体（ER）序列而将诱导型CreER转化为持续性的Cre，从而在心脏中特异性敲除内皮细胞中的VEGFR2，造成了心脏血管生成障碍。而另一研究通过Flp激活的Cre进行Rbpj敲除也抑制了动脉的分化，细致地探究了血管生成和分化过程中的分子调控机制。以上系统最终的效应重组酶都是Cre，因此可以兼容以往为Cre设计的多种细胞探针或者报告基因。在细胞层面上，双同源重组系统在脊髓背侧兴奋性或抑制性神经元中启动白喉毒素受体（DTR）表达来介导特定神经元的清除，直观地展示了这两种神经元在痛觉感受神经回路中的不同作用，完善了对于痛觉感受通路的了解。胰岛beta细胞特异的DTR表达和细胞清除也使得少数非beta细胞群分泌多种激素的可塑性得到揭示。除了利用双同源重组系统高效而精准地实现细胞亚群中的基因敲除与细胞清除，多种双同源重组系统构造策略也已经实现对于短暂性细胞状态的无缝隙捕捉。Lgals-rox-STOP-rox-Cre的STOP在平滑肌细胞中被Dre重组，从而在Lgals3表达时启动Cre。即使这一基因在细胞转移完成后不再表达，也能实现所有Lgals3+平滑肌细胞的标记。揭示了平滑肌细胞在动脉粥样硬化损伤修复中短暂表达Lgals3并首先移动到损伤处的过程。类似地，Kit-CreER通过切割Vimentin-LSL-Dre和N-Cadherin-LSL-Dre的STOP cassette，使得Dre可以在luminal细胞发生EMT时表达，帮助揭示这些基因在乳腺癌细胞发生上皮-间质细胞转移时的作用和分子机制。研究生理环境下的短暂的细胞状态差异例如细胞周期的改变同样是非常重要的，而在肝细胞、心肌细胞或神经元中细胞周期活动都比较稀少和复杂。用传统的核酸类似物掺入或者免疫荧光染色检测这些细胞的增殖都会有信噪比低、可追踪时间不长等问题，并会受到增殖更旺盛的巨噬或内皮等细胞的干扰。而基于单分子的长期谱系示踪则局限于某些细胞亚群，不同的研究人员曾经提出Axin2+中央静脉周围肝细胞、Sox9+门静脉周围肝细胞理论或分散的Terthigh肝细胞具有增殖优势。但是，利用Ki67-CrexER，周斌研究课题组实现了所有细胞类型或者肝细胞特异的增殖信息长时程、不间断的记录。而基于Ki67-CrexER的ProTracer可以看到Zone 2的肝细胞荧光标记数量尤其高，指征这一区域的增殖优势。该综述总结了多种类型的位点特异性重组酶及其遗传学操作特点，还总结了各种正交同源重组系统的设计思路。尽管双同源重组系统拥有揭示丰富的细胞和分子层面信息的能力，但其转基因小鼠构造复杂程度较高，并且受到位点特异型重组酶本身特性的掣肘，在实际应用中依然存在一些问题。该综述总结了重组酶非特异活性及双同源重组系统转基因小鼠构造繁琐等缺点，并提示了未来突破以上问题和提高正交同源重组酶在各种细胞类型或状态的准确标记和遗传学操作能力的研究方向。此外，本文也展望了未来正交同源重组系统用于细胞间接触或是各种细胞程序性死亡后标记的研究方向。中国科学院分子细胞科学卓越创新中心周斌研究组博士研究生翁文栋和刘秀秀为本文的共同第一作者，周斌研究员为本文的通讯作者。该项工作得到了香港中文大学医学院的Kathy O. Lui教授的大力支持，以及来自中科院、基金委、科技部以及上海市科委等部门的经费支持。文章链接：https://www.cell.com/trends/cell-biology/fulltext/S0962-8924(21)00186-0 利用双同源重组酶实现长时程不间断记录细胞事件

关键词：细胞,重组,同源,系统,Cre,标记,基因,心肌细胞,表达,特异

导读： 近日，中国科学院大连化学物理研究所微流控芯片研究组研究员秦建华团队受邀发表综述文章，系统总结了该团队在利用器官芯片开展感染性疾病研究方面的一系列成果，并对该领域的未来发展进行了展望。感染性疾病多指由各种常见病原体（如细菌、真菌、病毒和寄生虫等）引起的机体疾病，可引起人体全身性病理症状，严重者可导致高发病率和死亡率。例如，20世纪流感病毒引发H1N1等多次疫情；2002年冠状病毒SARS引发的急性呼吸道传染病；2019年出现的新型冠状病毒（SARS-CoV-2），已导致全球大流行，严重威胁人类健康。目前，针对感染性疾病研究模型主要依赖于细胞和动物试验，但这些实验模型在不同程度上仍存在一定局限。在单层细胞上的病原体培养方式往往缺少体内复杂动态的组织微环境和机体免疫反应，动物模型则由于存在物种差异，难以反映人体的真实反应。因此，建立能准确反映人类病理生理特征的新型实验模型体系，对于感染性疾病机制研究及有效诊疗等具有重要意义。器官芯片是近年发展起来的一种前沿交叉科学技术，它融合了物理、化学、工程学和生物学等多学科方法，可在体外模拟包含多细胞组成，组织-组织界面，机械流体等多因素的复杂细胞微环境，反映组织器官的关键结构与功能特点，在疾病模型、机理研究和新药研发等方面具有重要应用潜力，也为感染性疾病研究提供了新策略和新方法。本综述首先概述了器官芯片应用于病原体感染研究的最新进展，通过一些代表性实例向读者展示了利用该技术开展病原-宿主相互作用研究的特点和技术优势。例如，血管组织模型用于模拟研究埃博拉病毒感染引起的出血性综合征；肝组织芯片用于研究乙肝病毒感染，并呈现出近体内的生物学反应等。针对新冠肺炎的暴发，秦建华团队率先利用器官芯片技术开展了新冠病毒对肺组织和肠组织感染研究：利用自行构建的三维肺泡组织和肠组织感染模型，揭示了新冠病毒感染导致人肺泡-毛细血管屏障和肠组织损伤的主要病理特征，并探讨了外周免疫细胞介导病毒感染导致的炎症反应和组织屏障功能障碍的潜在机制（Advanced Science，2020；Science Bulletin，2021；Cell death & Disease，2020）。基于器官芯片的体外模型，可在组织器官水平反映新冠病毒感染中多细胞复杂因素参与的病原-宿主相互作用。更重要的是，器官芯片可见证细胞间相互作用以及免疫细胞介导的炎症过程，并可延伸用于多器官累及的复杂感染性疾病研究，为病毒感染致病机制和药物发现等提供了新型实验体系。此外，秦建华团队还尝试了利用器官芯片研究由细菌导致的常见感染性疾病。例如，孕期宫内感染，包括病原菌及其引起的相关炎症反应是导致早产或流产的重要危险因素，目前尚缺乏研究早期宫内感染的体外模型。秦建华团队利用人源性胎盘细胞和干细胞，建立了三维动态的胎盘屏障和羊膜组织模型，研究宫内细菌感染导致的胎盘炎症和绒毛膜羊膜炎等疾病。这些工作为加深认识和理解宫内感染及其不良妊娠结果，寻求有效治疗策略等提供了新的思路。最后，综述探讨了开发新一代人类器官病理生理模拟系统的迫切性和面临的挑战，这将为重大感染性疾病研究以及极端条件实验等提供新的技术平台。近年来，秦建华团队主要致力于器官芯片、干细胞衍生类器官及其与生命科学的前沿交叉研究，系统建立了一系列具有人体生理关联性的体外组织和类器官模型体系，探究组织器官发育及相关疾病机制，为在系统层面开展医学研究和药物发现等提供新的策略和思路。该综述以“Microfluidic Organs-on-a-Chip for Modeling Human Infectious Diseases”为题，发表在《化学研究评述》（Accounts of Chemical Research）上。文章链接：https://doi.org/10.1021/acs.accounts.1c00411

关键词：器官,疾病,芯片,模型,细胞,感染,感染性,导致,利用,提供

导读： 2021年10月27日，上海交通大学Bio-X研究院吴际教授团队在著名学术期刊Biomaterials （IF 12.475）在线发表题为Generation of offspring-producing 3D ovarian organoids derived from female germline stem cells and their application in toxicological detection的研究论文。该研究利用3D培养系统率先建立了由雌性生殖干细胞衍生的卵巢类器官系统，并利用该系统将雌性生殖干细胞体外高效分化至功能卵母细胞, 经体外受精后产生健康子代。上海交通大学Bio-X研究院吴际教授和深圳市儿童医院马廉教授为论文共同通讯作者，Bio-X研究院李小勇博士为论文第一作者。生殖是一切生命体的基本特征之一，物种的延续必须依赖于生殖。生殖细胞为直接完成这一功能的细胞。生殖干细胞是生殖细胞的早期阶段，传统观念认为女性和绝大多数雌性哺乳动物出生后卵母细胞数目不再增加, 只会不断减少。2009 年吴际教授团队首次从新生和成年的小鼠卵巢内分离出雌性生殖干细胞并对其进行特征化 （Nature Cell Biology）, 从而发现成年哺乳动物卵巢内存在雌性生殖干细胞。随后, 吴际教授实验室及其他团队分别从大鼠、猪、羊、猴和人的卵巢内分离出雌性生殖干细胞及揭示其调控因子，并利用雌性生殖干细胞成功构建基因修饰动物模型。2017年，通过追踪移植的雌性生殖干细胞在小鼠卵巢内的发育，吴际教授团队揭示雌性生殖干细胞具有归巢特征及其发育规律，在体内分化为能产生健康后代的功能卵母细胞 （Molecular Therapy, IF 11.454）。然而，雌性生殖干细胞能否在体外发育为功能卵母细胞及其体外发育特征尚未见报道。图1 小鼠雌性生殖干细胞衍生的卵巢类器官形态、功能与其单细胞转录组分析吴际教授团队利用3D培养系统建立了由小鼠雌性生殖干细胞衍生的卵巢类器官模型。卵巢类器官像正常的卵巢一样，充满卵泡并具有激素分泌功能。通过单细胞测序，吴际教授团队揭示卵巢类器官含有生殖细胞、颗粒细胞、卵泡膜细胞和成纤维细胞等7个细胞群 （图1）。从卵巢类器官中分离卵泡，经体外培养可发育至成熟卵母细胞。而成熟卵母细胞经体外受精可产生正常的后代。这些结果表明吴际教授团队成功建立了雌性生殖功能细胞体外高效分化至可产生后代的功能卵母细胞系统。为不孕不育及相关疾病诊治和生育力保存提供技术平台和理论依据，为雌性生殖干细胞的临床应用奠定基础。图2 来源于类雌性生殖干细胞衍生的卵巢类器官的子代小鼠此外，吴际教授团队最近还在国际学术期刊Journal of Advanced Research (IF 10.475)在线发表题为Offspring production of ovarian organoids derived from spermatogonial stem cells by defined factors with chromatin reorganization的研究论文。通过探究精原干细胞命运调控机制，发现印记基因 （H19, Zfp57） 和转录因子（Stella和Plzf）在精原干细胞向雌性生殖细胞转换中起关键作用。并在此4个因子的诱导下，精原干细胞能转换为类雌性生殖干细胞的细胞。随后，利用卵巢类器官系统，成功的将精原干细胞诱导的类雌性生殖干细胞分化至卵母细胞，体外受精后，得到健康子代 （图2）。该成果为性决定与性分化相关疾病的诊治提供理论基础。上海交通大学Bio-X研究院吴际教授和系统生物医学研究院赵小东教授为论文共同通讯作者，吴际教授团队的罗华程、李小勇和Geng Tian为论文共同第一作者。上述研究得到了国家自然科学基金国际合作重点项目、科技部重点研发计划等项目的支持。作者：Bio-X研究院吴际课题组供稿单位：Bio-X研究院

关键词：干细胞,生殖,雌性,卵巢,卵母细胞,器官,功能,系统,研究院,论文

导读： 2021年4月6日，国际学术期刊Nature Communications在线发表了中国科学院分子植物科学卓越创新中心王佳伟研究组题为" Single-Cell Transcriptome Atlas and Chromatin Accessibility Landscape Reveal Differentiation Trajectories in the Rice Root "的研究论文。该研究系统揭示了水稻根单细胞异质性（heterogeneity），描绘了水稻根表皮细胞（epidermal cell）和基本组织（ground tissue）细胞的分化轨迹，明确了在根尖干细胞分化过程中基因表达与基因染色质可及性（Chromatin accessibility）的相关性，并同时阐明了单子叶植物水稻和双子叶植物拟南芥在根尖细胞类型上的进化保守性。水稻是重要的粮食作物之一。根是水稻重要的组织器官，负责固定和支撑植物，从土壤中吸收水、矿质元素供给植物生长发育，参与植物与生物或非生物信号的互作。有别于双子叶模式植物拟南芥，水稻是须根系植物，有着不同的生长和发育模式。此外，为了更好的适应水生环境，水稻还进化出外皮层组织（exodermis）、厚壁组织（sclerenchyma）、通气组织以及多细胞层的皮层组织（cortical cells）等特化结构。遗传突变体筛选是传统发育生物学和功能基因组学获得重要调控基因的有力手段，但却往往受限于研究周期长、黑盒测试、数量性状、工作量大等不利因素。近年来随着单细胞RNA测序技术的发明与应用，研究人员可以在单细胞水平系统了解生命体细胞的异质性，描绘各种类型细胞的分化和发育轨迹，加速发育过程重要调控因子的挖掘进程。实验室前期的研究工作描绘了双子叶模式植物拟南芥的根单细胞图谱（Zhang et al., Mol Plant, 2019）。为了进一步探究单子叶植物根的发育模式，揭示单双子叶植物根的演化规律，张天奇博士将scRNA-seq和ATAC-seq技术应用到水稻根的研究中去。scRNA-seq实验成功捕获了27469个高质量单细胞转录组数据。通过聚类分析，将这些细胞注释为21个不同的细胞类群（cluster），分别对应水稻根表皮、外皮层、厚壁组织、皮层、内皮层、中柱鞘、分生组织、维管组织等细胞类群。通过原位杂交和构建报告基因，发现并验证了一系列全新的细胞类型标记基因。进一步通过重排过渡态细胞和拟时间分析，描绘了表皮分生组织细胞通过分裂和分化形成成毛体细胞（trichoblasts）或非成毛体细胞（atrichoblasts）的发育过程，阐明了基本分生组织祖细胞（ground tissue initial）分化形成皮层、厚壁组织和外皮层的分化轨迹。有趣的是，scRNA-seq和ATAC-seq整合分析显示，一些重要调控因子的染色质开放状态与其基因表达模式呈现时空关联性。尤为重要的是，通过结合反向遗传学实验，发现水稻根分生组织类群特异表达的转录因子OsGATA6参与了水稻根基本组织和维管束组织的发育过程，提示单细胞测序技术可以有效提升作物反向遗传学的成功效率。最后，通过与拟南芥根单细胞转录组数据集的整合分析，发现二者细胞类型在进化上保守性较低。仅在根毛、木质部、韧皮部等细胞类型中存在较高相似性。进一步深入比较和分析这些保守细胞类型，挖掘出一些潜在的核心细胞类型调控基因。综上，这些研究成果帮助我们绘制了水稻根的单细胞图谱，为今后解析水稻根发育的精细过程和分子机制，人工定制根系以及提高营养吸收能力奠定了良好的基础。中科院分子植物科学卓越创新中心博士后张天奇为论文第一作者。张天奇博士和王佳伟研究员为共同通讯作者。中科院分子植物科学卓越创新中心博士研究生陈瑜，南京农业大学刘晔讲师、上海交通大学林文慧教授也参与到该项研究中。该研究得到国家自然科学基金委基础科学中心项目、中国科学院先导项目、中国科协青年人才托举工程和中国博士后创新人才支持计划等资助。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-22352-4张天奇等人通过高通量单细胞转录组测序技术描绘了水稻根尖的单细胞图谱（rice root cell landscape）。通过聚类分析，将27469个单细胞注释为21个不同细胞类群（cluster），分别对应水稻根表皮、外皮层、厚壁组织、皮层、内皮层、中柱鞘、分生组织、维管等组织。进一步通过重排过渡态细胞和拟时间分析，描绘了表皮分生组织细胞通过分裂和分化形成成毛体细胞（trichoblasts）或非成毛体细胞（atrichoblasts）的发育过程，阐明了基本分生组织祖细胞（ground tissue initial）分化形成皮层、厚壁组织和外皮层的分化轨迹（differentiation trajectory）。scRNA-seq和ATAC-seq整合分析显示一些重要调控因子的染色质开放状态与其基因表达模式呈现时空关联性。跨物种单细胞转录组比较分析发现单、双子叶植物根细胞类型在进化上保守性较低，仅在根毛、木质部、韧皮部等细胞类型中存在较高相似性。

关键词：水稻根,单细胞异质性,分化全景图,基因表达