TXN

引言叶绿体是真核藻类和植物细胞质中负责光合作用的绿色质体。质体编码RNA聚合酶(PEP)在叶绿体原质体生物发生过程中起着重要作用，是成熟叶绿体中主要的RNA聚合酶。以PEP为中心的转录装置包括一个细菌来源的PEP核心和在细胞核中编码的十多个真核来源的PEP相关蛋白(PAPs)。2024年2月29日，中国科学院分子植物科学卓越创新中心张余研究团队和华中农业大学周菲研究团队合作在Cell 在线发表题为“Cryo-EM structures of the plant plastid-encoded RNA polymerase”的研究论文，该研究解析了叶绿体RNA聚合酶PEP复合物和PEP转录延伸复合物的高分辨率冷冻电镜结构，揭示了叶绿体基因转录机器的亚基组成、亚基组装方式、特殊功能和功能适应性演化，并为进一步研究叶绿体中转录调控的机制和功能提供了结构基础。该研究显示PEP核心采用细菌RNAP的典型折叠。15个PAPs结合在PEP核心的外围，促进PEP-PAPs超复合物的组装，保护复合物免受氧化损伤，并可能将基因转录与RNA加工偶联。该研究结果报道了叶绿体转录装置的高分辨率结构，为叶绿体转录调控的机制和功能研究提供了结构基础。另外，2024年2月29日，英国John Innes中心的Michael W. Webster团队在Cell 在线发表题为“Structure of the plant plastid-encoded RNA polymerase”的研究论文，该研究展示了来自Sinapis alba的天然21亚基PEP和PEP转录延伸复合物的冷冻电镜(cryo-EM)结构。该研究发现PAPs包裹核心聚合酶，形成广泛的相互作用，可能促进复杂的组装和稳定性。在延伸过程中，PAPs与转录泡下游的DNA和新生mRNA相互作用。这些模型揭示了PEP亚基的超氧化物歧化酶、赖氨酸甲基转移酶、硫氧还蛋白和氨基酸连接酶的细节。这些数据为了解叶绿体转录的机制及其在植物生长和适应中的作用提供了基础。叶绿体是藻类和植物细胞质中负责光合作用的绿色质体。人们普遍认为叶绿体是在大约15亿年前由蓝藻内共生进化而来的。在进化过程中，叶绿体基因组中的基因要么被抛弃，要么逐渐转移到核染色体，导致大多数陆生植物叶绿体基因组中仅保留110-130个基因。这些基因中的大多数编码基因转录、蛋白质翻译和光合作用的蛋白质装置的组成部分。两种类型的RNA聚合酶处理储存在叶绿体基因组中的遗传信息：细菌型质体编码RNA聚合酶(PEP)和噬菌体型核编码RNA聚合酶(NEP)。PEP在原质体的叶绿体生物发生过程中起着至关重要的作用，在成熟的叶绿体中作为主要的RNA聚合酶，负责转录80%以上的叶绿体基因，尽管它在异养条件下是必不可少的PEP中心转录装置的PEP核心与其祖先蓝藻RNA聚合酶(RNAP)保持相似的组成。它包括5个核心亚基(分别由rpoA、rpoB、rpoC1和rpoC2基因编码的2α、b、β’1和β’2)，分子量为450 kDa，其中亚基β’1和β’2是从其他细菌RNAPs的全长β’亚基分裂而来的产物。与它的祖先不同，PEP核心在β’2亚基中包含一个较大的谱系特异性序列插入(SI3)，而不包含ω亚基。图片显示叶绿体转录装置(PEP-PAP)积极参与叶绿体基因的转录。PEP- PAP复合物的结构表明，原核来源的催化核心(PEP：灰色卡通)位于复合体的中心，真核来源的PEP相关蛋白(PAP：彩色表面)结合在PEP核心的外围（Credit: Cell ）以PEP为中心的转录装置的独特之处在于，十多个核编码亚基与PEP紧密相互作用，并组装成分子量为1MDa的超复合体。在烟草、Sinapis alba、拟南芥、Pisum sativum、Spinacia oleracea等植物中，已经进行了大量以PEP为中心的超复合体的稳定亚基鉴定。这些额外的亚基最初被命名为质体转录活性染色体蛋白(pTACs)，因为它们存在于转录活性叶绿体染色体中其中10个蛋白被重新命名为PEP相关蛋白(PEP-associated proteins, pap);PAP1-10)在后来的研究中，因为每个突变与PEP核心亚基突变体的表型相似，PEP表现出由叶绿体发育严重缺陷引起的白化/苍白表型随后又有两个蛋白被添加到PAP列表中，包括PAP11 (MurE-like protein)和PAP12 (pTAC7)。这些PAP的功能在很大程度上仍然未知。据推测，由于在缺乏PAP或PEP亚基的突变体中观察到相似的表型，大多数PAP对于功能性PEP-PAP超复合体是必需的。模式图（Credit:Cell）PEP-PAP超复合体的积累发生在前质体叶绿体生物发生的开始。在暗生长的植物幼苗中，只检测到基础水平的1 MDa PEP-PAP超复合体。在光照下，1 MDa PEP-PAP复合体随着PEP依赖性转录的增加而迅速积累在成熟叶绿体中，PEP的转录活性也受到严格调控，主要是通过核编码的转录起始因子SIGMA因子(SIGs或ss)的可用性，这些因子在转录和翻译后水平上受到各种信号(光、温度、昼夜节律、氧化还原等)的严格调控。该研究从烟草叶绿体中纯化了PEP-PAP超复合物，并通过单粒子冷冻电镜(cryo-EM)方法测定了复合物的结构。数据显示，PEP的细菌起源亚基折叠成典型的细菌RNAP结构，共有15个PAP结合在PEP核心的外围。PAP与PEP核心的相互作用促进了PEP-PAP超复合物的组装，保护复合物免受氧化损伤，并将基因转录与RNA加工偶联。该研究的PEP-PAP复合物的结构提供了细菌源PEP核心和真核源PAP组装的结构细节，并为研究叶绿体转录机制如何进化以帮助陆地植物在恶劣的陆地环境中生存和适应新的生命周期提供了结构基础。原文链接https://www.cell.com/cell/abstract/S0092-8674(24)00063-1https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(24)00103-X责编|探索君排版|探索君文章来源|“iNature”End往期精选围观一文读透细胞死亡(Cell Death) | 24年Cell重磅综述（长文收藏版）热文Nature | 破除传统：为何我们需要重新思考肿瘤的命名方式热文Nature | 2024年值得关注的七项技术热文Nature | 自身免疫性疾病能被治愈吗？科学家们终于看到了希望热文Nature | 癌症与神经系统的致命舞蹈

导读：肿瘤内部异质性（ITH）深刻影响了治疗反应和临床结果。然而，基于基因组测序或病理切片的广泛用于评估ITH的方法依赖于有限的组织样本，可能由于潜在的采样偏差导致不准确。2023年10月6日，复旦大学江一舟、顾雅佳、邵志敏及王鹤共同在《Science Advances》发表题为“Radiogenomic-based multiomic analysis reveals imaging intratumor heterogeneity phenotypes and therapeutic targets”的研究论文，该研究利用一个新建立的多中心乳腺癌放射多组学数据集（n = 1474），该数据集包括从动态增强磁共振图像中提取的放射组学特征，制定了一种非侵入性放射组学方法来有效研究ITH。图像ITH（IITH）与基因组和病理ITH相关，独立预测了乳腺癌的不良预后。通过多组学分析，作者确定了高IITH肿瘤中激活的致癌途径和代谢失调。综合代谢组学和转录组学分析突显了高IITH肿瘤的易感性和潜在的治疗靶点，强调了放射组学在捕捉ITH方面的优越性。此外，该研究提供了关于ITH的生物学基础的见解，并提出了对具有高IITH的乳腺癌的治疗靶点。https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adf0837#con12研究背景 01 乳腺癌是世界上最常见的癌症，已成为妇女健康的一大问题。近二十年来，乳腺癌的肿瘤间异质性得到了广泛的认识，基于分子亚型的精准治疗提高了治疗效果，延长了患者生存期。然而，已有大量证据表明，治疗失败和疾病复发源于肿瘤内异质性(ITH)。ITH在多种类型的癌症中普遍存在。由于ITH的复杂性和多因素性，据报道，多尺度评估可以彻底表征ITH，包括遗传ITH (GITH)，组织学ITH和表型ITH。GITH是最著名的方面，指的是在相同的肿瘤块内存在不同的癌症亚克隆。乳腺癌中ITH的鉴定依赖于多区域活检，然后进行全基因组测序，或者从单区域活检的基因组测序中推断。多区域测序提供了比单样本测序更准确和详细的ITH信息。然而，难以获得足够的高质量样本，制约了其临床实用性。组织学ITH是指肿瘤细胞形态的变异性，通过整个组织病理切片的核大小和染色强度来评估。然而，不可避免的是，在病理切片上评估ITH仍然存在潜在的抽样偏差，因为它只能反映整个肿瘤的单个切片上的细胞异质性。因此，开发一种非侵入性和全局的ITH识别方法至关重要。放射组学可用于提取描绘灰度分布和纹理变化模式的高通量定量成像特征。一些放射学特征与影像文本异质性和癌症预后相关。放射组学的优势在于能够从完整的肿瘤区域无创地表征ITH。此外，放射基因组学分析将介观放射组学特征与微观分子特征(如体细胞突变景观和基因表达谱)联系起来，这为模糊的放射组学特征提供了生物学解释。最近的研究报道了放射学特征对预后相关基因组亚克隆的预测能力;然而，对成像ITH (IITH)及其生物学基础的深入了解仍不清楚。研究过程 02 ITH是治疗抵抗和不良临床结局的重要因素。在此，研究人员建立了一种无创性的DCE-MRI影像组学方法来评估ITH，研究人员将其命名为IITH。此外，研究人员证明了IITH的预后能力及其与众所周知的GITH和MITH的相关性。值得注意的是，研究人员系统地揭示了铁死亡的生物学基础，并确定了铁死亡可作为预后不良的高IITH乳腺癌患者的治疗靶点。在本研究中，研究人员基于每个PyRadiomic特征的明确定义确定了与肿瘤异质性相关的影像组学特征。第一步，研究人员建立了一组异质性相关的影像组学特征。在整理完整组异质性相关特征后，研究人员选择样本间变异性高的特征，将样本分为高异质性组和低异质性组。高IITH患者的无复发生存率和总生存率均明显较差。DUKE DCE-MRI数据集与既往研究的一致性和外部验证支持影像异质性在反映肿瘤预后方面的效用。在未来的研究中，可以结合经验纹理特征和生境特征来获得更全面的ITH展望。为了证明IITH的通用性，拓宽其应用范围，研究人员进行了多尺度的ITH验证，建立了IITH、GITH、MITH之间的联系。综合分析表明，IITH升高的样本也表现出更高的基因组异质性和形态异质性。除了GITH外，研究人员还发现高IITH肿瘤中TMB和新抗原负荷增加，这表明异质肿瘤在影像学上表现出基因组不稳定性，产生更多的体细胞突变和突变衍生的肿瘤抗原。接下来，研究人员试图探索IITH形成的生物学意义。放射基因组学分析揭示了在高IITH样本中富集而在低IITH样本中未富集的具有活性肿瘤生长特征的分子通路。经典的癌症标志通路，包括RAS, MAPK, PI3K-AKT-mTOR和Hippo，在高IITH肿瘤中表达上调。不难推测，强化模式不均匀的肿瘤比均匀的肿瘤表现出更多的恶性生物学行为，从而导致更差的预后。此外，转录组和代谢组学分析表明，高IITH的肿瘤存在代谢激活，尤其是脂质和氨基酸代谢，这至少部分是因为这些活跃的肿瘤促进了能量代谢过程，以满足其对营养的需求。通过整合的多组学分析，研究人员发现在具有高影像学异质性的肿瘤中显著激活的铁死亡。本研究首次表明，铁死亡可以通过影像异质性被影像组学标签捕获。在本研究中，研究人员假设具有高度异质性的肿瘤上调了许多代谢途径，因此更容易发生铁死亡。研究人员认为ROS是ITH和铁死亡之间的关键交联。在本研究中，研究人员发现硫氧还蛋白通路是高IITH肿瘤逃避铁死亡的关键机制。总之，铁死亡抑制剂等靶向硫氧还蛋白的铁死亡诱导剂有望成为预后不良的高IITH乳腺癌患者的未来治疗选择。铁死亡是高IITH肿瘤生物学标志和潜在治疗靶点 03 研究人员研究了在转录组学分析中发现的最显著的分子过程。在高IITH肿瘤的富集通路中，铁死亡居首位。因此，研究人员在发现队列和TCGA验证队列中使用单样本GSEA生成了铁死亡通路评分，并证实铁死亡在高IITH肿瘤中显著上调。铁死亡的关键因素，如ROS、铁代谢和脂质合成代谢，在高IITH肿瘤中广泛富集。铁死亡是高影像学异质性患者的治疗弱点研究结论 04 综上所述，在这项多中心影像多组学队列研究中，研究人员通过DCE-MRI影像组学特征确定了不同的ITH表型及其预后价值。此外，研究人员利用基因组学、转录组学、代谢组学和数字病理数据，从介观到微观尺度全面验证了该异质性评估方法，揭示了高IITH肿瘤的生物学行为。值得注意的是，研究人员报告铁死亡是高IITH乳腺癌的一个易感因素，并且是精准肿瘤学时代的一个有前景的靶点。参考资料：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adf0837#con12识别微信二维码，添加生物制品圈小编，符合条件者即可加入生物制品微信群！请注明：姓名+研究方向！版权声明本公众号所有转载文章系出于传递更多信息之目的，且明确注明来源和作者，不希望被转载的媒体或个人可与我们联系(cbplib@163.com)，我们将立即进行删除处理。所有文章仅代表作者观点，不代表本站立场。

近些年，中国城市主要疾病已经从传染性疾病（如痢疾、肝炎等），改变为代谢类疾病和心理疾病。其中，高血压、糖尿病、高血脂、肥胖均名列前茅。目前，我国代谢综合征防控形势严峻，成年人患病率已达 近些年，中国城市主要疾病已经从传染性疾病（如痢疾、肝炎等），改变为代谢类疾病和心理疾病。其中，高血压、糖尿病、高血脂、肥胖均名列前茅。目前，我国代谢综合征防控形势严峻，成年人患病率已达33.9%，并且随着年龄的增长而增加。 代谢综合征目前尚无 FDA 批准的治疗方法，因此改变健康的生活方式、定期锻炼以及持续的体重管理是预防或减轻相关疾病严重程度的唯一选择。然而随着患病人群的增加，迫切需要发现其他方法来预防或治疗MetS。 近日，在《Microbiome》发表的一篇文章“Reducing gut microbiome-driven adipose tissue inflammation alleviates metabolic syndrome”发现来自啤酒花的化合物可以降低肠道中诱导炎症的特定肠菌微生物，减轻脂肪组织中与巨噬细胞相关的炎症，改善饮食引起的肥胖和代谢综合征的不良表型。 图1 : https://doi.org/10.1186/s40168-023-01637-4 之前已有研究证明，啤酒花（Humulus lupulus L.）提取物中分离出来的黄腐酚（XN）及其衍生物四氢黄腐酚（TXN）在小鼠中可改善肥胖饮食对代谢的不良影响，但是其中的机制并不清楚。 研究人员使用了饮食诱导的肥胖和代谢疾病小鼠模型，将 10 只小鼠随机分配到五组之一（图2）：低脂饮食组（low fat diet,LFD）、高脂饮食组（high fat diet,LFD）、添加低含量XN（0.035%）的高脂饮食组、添加高含量XN（0.07%）的HFD和添加TXN（0.035%）的 HFD，饲养16 周。 图2 研究方案设计 通过测量这些小鼠的肝脏、回肠和附睾脂肪组织（脂肪组织）的转录组、粪便中的微生物组组成、粪便中的胆汁酸浓度以及与代谢疾病相关的表型参数，结果发现TXN在恢复由肥胖饮食引起的代谢改变方面比XN更有效。 为了模拟HFD 诱导的代谢疾病，研究者使用了跨物种网络分析（transkingdom network analysis，图3）来研究疾病进展和治疗的关键调节因素。结果发现通过添加XN和TXN改善了大约 10% 的基因，而单独来看，TXN改善了脂肪组织网络中超过 50% 的基因表达，TXN仅改善1%。表明TXN比XN更有效，并且起作用的关键机制是通过脂肪组织发挥作用的。 图3 跨物种网络分析图 通过功能分析，TXN治疗主要下调炎症反应基因，比如包括髓系白细胞活化（myeloid leukocyte Activation）、细胞因子产生（cytokine production）和吞噬（phagocytosis）。相反，TXN 通过上调基因富集在修复脂质、氨基酸以及其他代谢过程（图4）。 图4 TNX差异基因富集分析 为了研究炎症减少的原因，研究人员通过基因对涉及到的细胞类型进行推断。通过将全组织转录组数据与来自肥胖饮食小鼠脂肪组织的单细胞 RNA 测序数据进行了比较，发现大多数脂肪组织基因属于代谢巨噬细胞（metabolic macrophage cells，MC1），因此TXN是通过减少脂肪组织中巨噬细胞相关炎症来改善肥胖小鼠的代谢表型。 已知XN需要肠道微生物群来介导对宿主代谢的有益影响。研究人员在想在代谢综合征的小鼠治疗中，TXN的作用是否也是通过肠道微生物群实现的的呢？并且，TXN是如何通过微生物群对宿主发挥功能的呢？通过分析无菌小鼠和SPF小鼠的基因表达数据，发现在脂肪组织中TXN改善的 667 个基因中，78% 是受到微生物群的调节。 TXN对导致不良代谢表型的诱导炎症的肠菌也存在一定的影响，如Oscillibacter valericigenes（Ov）。为了验证它们之间的相关性，对接受TXN治疗的小鼠补充O. valericigenes (109 CFU)，并持续4-5周。结果发现在O.valericigenes处理组中，近80%的基因在经过体内TXN 处理后得到了改善。除了O.valericigenes外，还观察到TXN 影响其他一些微生物的类似趋势（图5）。 图5 TXN对微生物的作用 总而言之，本篇研究使用了跨物种网络分析来探究TXN对代谢综合征的有益作用，并分别利用体外和体内的数据对结果进行了验证。TXN主要作用于脂肪组织，其中大约三分之二的差异基因会由于TXN治疗而发生改变。这些由于TXN表达降低的基因中，炎症过程明显富集，最终揭示了巨噬细胞依赖于微生物群的作用改善相关炎症可以减轻肥胖小鼠的代谢综合征。 参考文献 1、Newman, N.K., Zhang, Y., Padiadpu, J. et al. Reducing gut microbiome-driven adipose tissue inflammation alleviates metabolic syndrome. Microbiome 11, 208 (2023).