重大進展，中國科學家同期在PNAS上發表4篇文章，分別揭示不同領域的最新進展

iNature：2018年5月14日，中國學者在PNAS上在線發表了4篇研究論文，中國科學院上海生物科學研究所神經科學研究所蒲慕明研究組發表題為「Functional organization ofintrinsic and feedback presynaptic inputs in the primary visual cortex」的研究論文；中國科學院昆明動物研究所遺傳資源與進化國家重點實驗室發表的題為「Selectionand environmental adaptation along a path to speciation in the Tibetan frogNanorana parkeri」研究論文；中國科學院遺傳與發育生物學研究所植物基因組學國家重點實驗室和國家植物基因研究中心發表的題為「Noncatalyticchalcone isomerase-fold proteins in Humulus lupulus are auxiliary components inprenylated flavonoid biosynthesis」的研究論文；中國農業科學院生物技術研究所發表的題為「Methylglucosylation of aromatic amino and phenolic moietiesof drug-like biosynthons by combinatorial biosynthesis」的研究論文。這4篇文章分別報道了神經科學、兩棲爬行類多樣性與進化、植物功能代謝組學、微生物功能基因四個領域的新進展。

1.Functional organization of intrinsic and feedbackpresynaptic inputs in the primary visual cortex

闡明不同類型的突觸前輸入對大腦區域的功能組織，對於理解傳入信息是如何整合的至關重要。在這裡，我們介紹了兩種顏色的突觸前基因編碼鈣指示物，並將兩種主要輸入途徑-初級視覺皮層(V1)內稟和V2-V1反饋-的功能組織映射到樹鼩V1。兩種輸入路徑的軸突都根據其取向偏好在空間上組織，形成與V1地圖相一致的方向圖。樹突狀樹周圍的內稟輸入的非選擇性整合再現了神經元的取向偏好，提示內稟輸入對神經元地圖具有增強作用。除了具體的發現之外，我們在這裡介紹的實驗方法可以大大擴展用於探索神經迴路組織的工具箱。

在許多哺乳類動物的初級視覺皮層(V1)中，神經元根據其偏愛的方向排列成一個高度有序的地圖。然而，是否和如何組織各種突觸前輸入的V1神經元相對於神經元的方向圖尚不清楚。為了解決這一問題，我們構建了以兩種顏色的軸突為目標的基因編碼鈣指示劑，並利用它們來映射樹鼩內稟軸突和V2-V1反饋投射的軸突結構。這兩個連接是根據軸突的優先方向在空間上組織成地圖的。雙色鈣成像顯示，V1內稟輸入與V1細胞體的方向圖精確對齊，而V2-V1反饋投影與V1圖對齊精度較低。樹突狀樹周圍固有突觸前輸入的非選擇性整合足以複製細胞的定向偏好。這些結果表明，精確排列的內稟輸入圖可以增強V1中的神經元圖譜，這一原理可能普遍存在於具有功能圖的腦區。

專家介紹

蒲慕明，男，博士，中國科學院上海生命科學研究院神經科學研究所所長（外籍）。蒲慕明博士主要從事軸突導向和突觸可塑性的分子與細胞機制研究，是一位國際著名的神經生物學家。美國Javitz Neuroscience Investigator Award（1998），台灣Academia Sinica Member（2000），美國AAAS Fellow（2001），2011年當選中國科學院外籍院士。2016年6月7日，被Gruber基金會授予2016年度Gruber神經科學獎。

2.Selection and environmental adaptation along apath to speciation in the Tibetan frog Nanorana parkeri

進化生物學中的中心議題包括揭示物種形成的過程和遺傳基礎，記錄環境適應和對其負責的過程。青藏高原（QTP）具有挑戰性的環境促進了這種調查，西藏青蛙Nanorana parkeri為調查這些過程提供了獨特的機會。來自整個範圍的63個個體的全基因組序列隊列開闢了將種群基因組學納入物種形成研究的途徑。自然選擇對維持和驅動物種種群的持續分化和繁殖隔離起著重要作用。QTP是研究選擇如何驅動適應性，環境如何影響進化歷史以及這些因素如何相互作用以提供物種形成洞察力的天然實驗室。

西藏青蛙（N. parkeri）的採樣點和種群結構。（A）採樣位置（ArcGIS 10.2; esri）。站點編號參見SI附錄，表格S1。顏色表示從人口結構和系統發育分析中恢復的五個主要群體。灰色表示雜交種群（25?27）。（B）所有高覆蓋率樣本的PCA。（C）僅E樣本的主成分圖。（D）基於級聯序列的ML樹。W，綠色; E1，紫色; E2，黃色; E3，淺藍色; E4，紅色。

西藏青蛙Nanorana parkeri在具有挑戰性的環境中在地理和海拔梯度方面具有遺傳上的差異，但不具有形態學特徵，為調查導致物種形成的過程提供了獨特的機會。對63隻青蛙的全基因組進行分析，揭示了種群結構和歷史人口統計特徵，其特徵是在位於西方（W）和東方（E）之間的狹窄地理區域中的基因流受到高度限制。僅在Yalu Zangbu河的一條支流中發現的種群僅有E的有絲分裂原，而W的核基因占核基因組的89-95％。選擇涉及579個廣泛分散的，高度不同的基因組區域（HDR），涉及365個基因。這些基因分為51個基因本體論（GO）功能類別，其中14個可能對驅動生殖隔離很重要。對E進行的GO富集分析揭示了許多與適應高海拔相關的過度代表功能類別，包括血液循環，缺氧反應和紫外線輻射。四種基因，包括腦中的DNAJC8，心臟中的TNNC1和ADORA1以及肺中的LAMB3，在低和高海拔人群之間的表達水平不同。高海拔適應在維持和驅動持續分歧和生殖隔離方面發揮著重要作用。使用全基因組能夠識別群體之間和群體之間的選擇和適應，以及沿著一個階梯向漸變形成的進化記錄。

3.Noncatalytic chalcone isomerase-fold proteins inHumulus lupulus are auxiliary components in prenylated flavonoid biosynthesis

在這裡，研究人員確定了兩種非催化的查爾酮異構酶摺疊蛋白，這對於Hum草屬中的高效異戊二烯酮生產是至關重要的。我們的研究結果為他們從祖先的非催化脂肪酸結合查耳酮異構酶摺疊蛋白到支持植物黃酮類生物合成的專門輔助蛋白的進化發展提供了見解，並且開闢了使用異源系統生產高價值植物異戊烯基查爾酮的可能性。

Xanthohumol（XN）和demethylxanthohumol（DMX）是專門的prenylated chalconoids，具有多種藥物應用，在啤酒花（Hum草屬（Humulus lupulus L.））的腺毛中積累到高水平。儘管XN途徑中的所有結構性酶已經在功能上被鑒定，但高效XN生產的生化機制尚未完全解決。在這項研究中，我們使用含有DMX生產所需的所有基因的工程酵母來鑒定兩種非催化查耳酮異構酶（CHI）樣蛋白質（命名為HlCHIL1和HlCHIL2）。

H1CHIL2使DMX產量增加了2.3倍，而HCH1使DMX產量顯著減少了30％。我們顯示CHIL2是包含查爾酮合酶（CHS）和膜結合異戊烯基轉移酶的跳腺毛中的活性DMX生物合成代謝物的一部分，並且具有代表性的陸地植物的IV型CHI-倍蛋白含有與CHS結合的保守功能並加強其活動。結合測定和結構對接揭示了HlCHIL1結合DMX和柚皮素查耳酮以穩定這些chalfinoids的開環配置的功能。這項研究揭示了兩種HlCHILs在啤酒花中DMX生物合成中的作用，並且提供了從祖先脂肪酸結合CHI摺疊蛋白到支持植物中類黃酮生物合成的專門輔助蛋白的進化發展的見解。

4.Methylglucosylationof aromatic amino and phenolic moieties of drug-like biosynthons bycombinatorial biosynthesis

糖基化賦予許多候選藥物改善的葯代動力學和藥效學性質。在這裡，我們確定來自白僵菌的新糖基轉移酶（GT）家族的創始成員，其不與從其他真菌分離的GTs直系同源。該GT與來自迄今僅由細菌表徵的家族的甲基轉移酶（MT）聚類。這種GT-MT生物合成模塊在將甲基葡萄糖結合到結構不同的底物時顯示出廣泛的混雜性，但產生具有大量區域和立體選擇性的產物。我們展示了一個高效的組合生物合成平台，可以產生前所未有的糖基化聚酮化合物，其中一些具有更高的穩定性和生物活性。我們還使用生物催化平台合成黃酮類化合物，蒽醌類化合物和萘類的甲基葡萄糖苷，其中一些具有先前未表徵的具有特徵性真菌酶的N-糖苷鍵。

糖基化是通過調節它們的溶解度，穩定性，生物利用度和生物活性來優化藥物樣小分子支架的葯代動力學和藥效學性質的突出策略。適用於「糖衣」各種小分子受體的糖基轉移酶已經從植物和細菌中分離出來並表徵出來，但直到最近才從絲狀真菌中隱蔽起來，儘管經常使用一些真菌來進行全細胞生物催化糖基化。在這裡，我們使用生物信息學和基因組工具結合異源表達來鑒定糖基轉移酶-甲基轉移酶（GT-MT）基因對，其編碼甲殼蟲真菌球孢白僵菌中的甲基葡糖基功能模塊。

GT是非特異性真菌酶家族的創始成員。使用組合生物合成和生物催化平台，我們揭示了這種GT是一種混雜的酶，可以有效地修飾多種類似藥物的底物，包括聚酮化合物，蒽醌類，類黃酮和萘。它產生具有顯著的區域和立體特異性的O-和N-葡糖苷，對於其他特徵性的真菌酶而言沒有證明。這些葡萄糖苷由專用MT忠實地加工以提供4-O-甲基葡糖苷。所得「非天然產物」顯示出增加的溶解度，而代表性的聚酮化合物甲基葡糖苷也顯示出增強的對糖苷水解的穩定性。經甲基葡糖苷化後，發現特異性聚酮化合物獲得癌細胞系特異性抗增殖或基質附著抑制活性。這些發現將指導具有新型底物和產物特異性的真菌GT的基因組挖掘，並賦予生物合成或生物催化形式中廣泛的天然和非天然糖苷的高效組合生物合成。

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