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【学术干货】清华-北大生命科学联合中心2015年国际学术交流会
文/admin      2015/11/25
  2015年11月20日,清华-北大生命科学联合中心(Cencer for Life Sciences)在清华主楼后厅召开年度学术讨论会,邀请了全球范围内各领域的杰出科学家在会上作研究报告,清华、北大等高校的广大师生以及生物谷等门户网站也受邀参与了该次会议。
 
  会议报告内容涉及生命科学多个领域,生物谷小编选择了其中一些代表性研究进行重点介绍:
 
  天然免疫信号识别分子cGAS催化活性机制研究
 
  纪念斯隆-凯特琳癌症中心的结构生物学家Dinshaw Patel教授报告了其实验室最近针对目前抗病毒天然免疫领域内新发现的"明星分子"——cyclicG-AMP以及合成该分子的cGAS所做的结构解析。
 
  根据目前的研究:在外源双链DNA进入苏中细胞之后,胞浆中的cGAs能够对其进行识别并催化ATP与GTP产生环状的G-AMP小分子。该分子能够进一步结合下游的STING蛋白从而引发经典的抗病毒免疫效应。该信号的发现填补了长久以来在针对双链DNA病毒的抗病毒天然免疫领域的空白。
 
  Patel教授实验室利用结晶学的手段得到了cGAS与双链DNA的复合体结构,并通过比较DNA结合前后的cGAS结构得出:双链DNA的结合能够使cGAS发生构象的改变,并产生一个由E211,D307以及D213三个氨基酸残基构成的催化"口袋。
 
  另外,他们发现双链DNA与cGAS的结合并无核酸序列特异性的要求。为了证明该猜想是正确的,他们又获取了cGAS与双链DNA以及ATP(cGAS底物)三个复合体结构,该结构证实ATP的确"镶嵌"在新出现的催化中心。
 
  由于cGAMP的结构特殊,其ATP 5'号位的磷酸能够与GTP 2'号位的C原子形成共价连接,而GTP5'号位的磷酸基团与ATP'3号位的C原子发生连接。他们通过一系列的突变实验证明似乎之后这种结构才是天然的催化产物。
 
  通过解析cGAS,双链DNA以及cGAMP三元复合体的结构,他们认为cGAS对底物的催化是一个"两步"反应:首先ATP与GTP通过2'-5'连接形成GpA(2'-5'),由于局部的分子极性发生排斥,这一中间体在催化中心发生"翻转",从而便于第二步中3'-5'的连接并最终产生cGAMP。区别于哺乳动物,霍乱弧菌体内的cGAS同源蛋白首先发生ATP5'磷酸基团与GTP3'C原子的共价连接,形成GpA(3'-5')的中间体结构,并最终产生与哺乳动物cGAMP完全相反的产物。
 
  最后,Patel教授还分享了cGAMP与下游蛋白STING的共结晶结构。针对这一结果,他们分析了之前在小鼠水平大获成功的,以STING为靶点的免疫抑制类药物DMXAA。这一药物虽然对小鼠十分有效,但在人类水平却效果甚微。Patel教授发现这是由于人与小鼠的STING蛋白结构有一部分差别。他们通过突变的方式将人源的STING蛋白进行了下列突变(S162A,G230I,Q266I)发现改造过后的人源STING也能够与DMXAA结合。
 
  GPCR的结构与功能学分析
 
  斯坦福大学的化学生物学家,2012年诺贝尔化学家得主Brian Kobilka分享了他在GPCR信号传导机制领域所做的研究。
 
  GPCR,即G蛋白偶联受体,是一类广泛存在于生物细胞表面的受体,其来源广,功能多样,因而重要性也不言而喻。在受到配体的刺激下,GPCR会发生构象改变,招募下游的小G蛋白(αβγ),它们通过消耗GTP的能量并将其转化为GDP,并同时将信号传递到胞内。Kobilka教授解析了GPCR家族中的代表性受体β2R在与激活性或抑制性配体结合情况下的复合体结构。通过比较已有的GPCR家族蛋白结构,他指出这一家族的成员在进化上高度保守:胞外端是与配体结合的区域,中间的跨膜结构域以及胞内端的酪氨酸残基负责信号传导。
 
  接下来,Kobilka教授分享他目前利用已有的结构数据库资源进行药物筛选的进展。尽管GPCR十分重要,但由于其涉及的信号十分多样化,因此设计高度特异性的药物十分困难。Kobilka教授从已有的5百万小分子库中进行模拟筛选,找到最有希望的前30名药物前体。之后,通过结合与信号方面的检测,并最终通过结构学手段找到最优的药物。
 
  利用这种方法,Kobilka教授得到了针对β2R的两类药物:正向调节分子BRAC1与负向调节分子BRAC11。众所周知,所有针对GPCR的药物都面临一个问题——药物的特异性。例如阿片受体(opioid receptor),它的激活一方面能够促进钙离子内流激活下游的PKA,引起阵痛的反应,另一方面,它还能引发PKC的激活从而差生呼吸阻碍以及药物上瘾的症状。临床常用的镇痛剂-吗啡(morphine)在治疗阵痛的同时容易引起上述副作用。Kobilka教授利用上述方法找到的新药物(s,s)21相比于吗啡,能够起到相同的治疗阵痛的效果,同时不会引发药物上瘾或呼吸阻碍的副作用,这充分说明了该药物筛选模式的强大之处。
 
  DNA去甲基化分子机制新发现
 
  中科院上海植物逆境生物学研究中心主任&普渡大学的朱健康教授讲述了他在DNA去甲基化修饰方面的最新研究成果。朱教授曾经以拟南芥为研究对象,找到了经典的去甲基化酶ROS1。
 
  最近,朱教授实验室发现一类转座子元件HAT-like TE能够通过甲基化的修饰得到激活,激活后的该元件作用于表达去甲基化酶EPF2基因的启动子区域,从而使其沉默。另外,他们发现ROS1作为去甲基化酶能够有效阻碍这一效应。为了寻找其它有相似功能的元件,作者构建了拟南芥根系生长报告系统:首先向野生拟南芥中转入SUC2基因,该基因能够使植物根部停止生长,而ROS1能够挽回这一缺陷。随后,作者通过正向遗传学手段对该转基因植物进行进一步筛选,他们找到了一个名为"H2AZ"的基因,具有与转座子HAT-like TE相同的功能。当该元件结合在ROS1的启动子区域时,能够导致拟南芥根部重新停止生长。由于这一效应十分明显,这类元件被称为DNA甲基化的初始开关。
 
  生长素的胞间传递导致植物组织特征与花序的形成
 
  加州理工大学的教授,生物工程学家Elliot Meyerowitz教授展示了他对植物组织特征形成所做的研究。我们都知道植物的花朵十分好看,这除了鲜艳的颜色以外,复杂但有序的排列方式也是主要的原因。
 
  Meyerowitz教授通过对种子顶端分生组织进行研究,认为生长素的胞间传递有可能是这一特征形成的诱因。他们实验室通过计算的方式模拟了生长素在不同细胞间进行传递的特点,并将生长素对细胞生长的促进作用这一因素考虑进去,得到了最终的计算机花朵发育模型。令人惊奇的是,这一模型与真实世界中的花朵十分相似。
 
  根据一系列的计算,他们得到了最终的生物学模型:生长素在细胞间的传递引发了组织的极性生长,这一极性生长造成了最初的组织形态的出现,这一形态会给其中的每一个细胞不同程度的物理性压迫,并最终引起了正反馈循环。
 
  表皮细胞-间质细胞-转变 及对癌症发生的影响
 
  正常组织与癌组织在形态学上具有许多不同的特征:前者细胞之间粘附性大,具有顶部与底部的极性特征,迁移率与侵染性较低;而后者细胞之间粘附性很小,极性逐渐消失,具有较高的迁移率与侵染性。这也是癌细胞度化疗具有较高耐受性的原因。
 
  来自莱斯大学的生物物理学家Herbert Levine教授则认为在两种形态之间并不是一片空白,其中具有一个连续的过渡态存在。以表皮细胞与间质细胞为研究对象,他们找到了一部分特征位于表皮细胞与间质细胞之间的细胞类型。这部分细胞虽然具有较高的迁移性,但彼此之间粘附性仍然较高,体现在体外迁移现象发生时,这部分细胞总是以"簇"状方式移动。
 
  通过遗传学分析,他们发现SNAIL蛋白以及miR200对这些细胞特征的形成具有重要作用,Levine教授希望这一发现能够为将来的癌症诊断与治疗提供新的思路。
 
  piRNA与哺乳动物精子的形成
 
  耶鲁大学的干细胞生物学家林海凡教授发表了他们实验室对新发现的小RNA家族成员piRNA的最新研究成果。与经典的miRNA不同,piRNA长度较长,为26-32nt,种类也较多,达到1百万中。大部分piRNA主要表达于动物细胞减数分裂阶段,对精子的形成尤其重要。
 
  与piRNA结合的一类蛋白叫做piwi蛋白,通常分布于胞浆中,在小鼠中这类蛋白具有一个独特的名字"MIWI"。piRNA与蛋白质的结合能够起到同样的基因沉默的效应。他们最近发现一类转座子编码的piRNA能够调节mRNA的翻译过程;另外,他们同时发现一类由假基因编码的piRNA也能够调节mRNA的转录后翻译。最后,李教授还介绍了他们发现的piRNA调节LncRNA的现象。
 
  合成生物学优化癌症免疫疗法
 
  加州旧金山分校的Wendell Lim教授讲述了他们实验室最近发表在《Science》杂志上的关于优化Car-T疗法的研究进展。
 
  细胞免疫疗法是最近业界十分火的话题,原因在于其新颖的概念以及喜人的治疗结果。所谓CAR-T,就是利用基因编辑技术将常规T细胞TCR进行改造,使其具有直接识别并结合抗原的scFv胞外端,以及能够完全激活下游信号的胞内信号结构域。通过分析病人自身的T细胞,将其改造并进行体外培养之后再次转入患者体内,可以起到明显的治疗肿瘤的效果。
 
  然而,目前的CAR-T疗法也存在一些明显的问题:比如这一方法只对于B淋巴瘤具有明显的疗效,而且会有其它的副作用。一方面是脱靶效应;另一方面,即使能够特异性与癌细胞结合,这一改造后的T细胞由于没有负向调控机制,很容易失去控制。Lim教授设计将现有的CAR-T受体上增加一个特异性的药物靶点。这样在这部分细胞导入体内后,只有在同时注射针对这一靶点的药物后,细胞才能够被正式激活;另外,他还尝试了除scFv以外其它特异性较高的受体作为识别元件对现有的受体进行改造,以增加其特异性。
 
  Lim教授进行了小鼠水平的抗肿瘤试验:人为标记小鼠体内带有抗原A的细胞,以及另外一部分带有抗原A与B的细胞;之后,设计制作同时含有针对A与抗原B两个配体的CART细胞。结果显示:这部分转基因的T细胞对两类细胞都能够特异性的结合,但只杀伤其中同时具有抗原A与抗原B的细胞。这充分说明了该设计的合理性。
 
  除此之外,Sankar  Ghosh教授分享了他们实验室对LPS脱敏效应的研究成果;Michael W. Young教授分享了生物昼夜节律现象及其内在的分子机制; Michael Granato教授讲解了他们关于动物在做出选择式的神经信号传导机制等等。
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