蛋白质与植物基因研究国家重点实验室原名蛋白质及植物基因工程国家重点实验室,成立于1987年1月,1990年9月通过国家验收,开始正式运行并向国内外开放。已故知名生物物理学家顾孝诚先生为第一届实验室主任(1987-1994),已故知名生物化学家张龙翔先生为第一届实验室学术委员会主任。陈章良/顾孝诚先生分别为第二届实验室任及学术委会员主任(1994-2002)。朱玉贤院士为现任第三届实验室主任,许智宏院士为学术委员会主任。前几次评估,实验室一直处于全国的中游水平,01-05那次评估还被自然科学基金委作为标杆实验室。现有科研人员61人,其中教授31人、正教授级高工1人、副教授或副研究员8人,有中科院院士3人(许智宏、赵进东和朱玉贤)、美国科学院院士、“千人计划(A类)”获得者1人(邓兴旺)、“长江计划”特聘教授6人、国家杰出青年科学基金获得者10人、“青年千人计划”5人、中组部青年拔尖人才支持计划获得者1人、国家973项目(含重大研究计划)首席科学家5人。

实验室定位:根据国家基础研究发展的需要,立足于国际学科发展的先进理论和技术前沿,以模式细胞、重要农作物和模式植物为材料,以基因与蛋白质结构功能研究为出发点,开展大分子结构与功能关系、植物发育与功能基因、植物与微生物相互作用以及生物信息与基因演化的基础理论研究和应用基础研究,推动本领域基础研究源头创新,提高我国的国际竞争力和影响力。

近年来重点实验室的科学研究连续取得突破,成果发表在Nature、Cell、Science、Nature Genetics、Nature Biotechnology等国际顶级学术杂志上。在2011-2015年评估期内,共发表296篇第一作者及通讯作者单位的SCI收录科研论文,影响因子9以上的SCI收录论文共71篇,其中Cell (3)、Nature (1篇)、Science (1篇)、Nat Biotechnol.(1篇)、Nature Genetics(2篇)、Nat Methods(1篇)、Annu Rev PharmacolToxicol. (1篇)、Nat. Cell Biol. (1篇)、Nat. Struct. Mol. Biol.(2篇)、Annu. Rev. Plant Biol. (1篇)、Nat. Chem Biol. (2篇),总影响因子达到2086,均篇SCI影响因子达到6.79,上述数据相比前上一个评估期(2006-2010年的平均影响因子为3.6)有极显著提高。

我们研究发现一条新的通过ERIS-TBK1活化转录因子STAT6,从而连接天然免疫与适应性免疫的信号传导途径。病毒或胞浆内的病毒核酸分子通过其受体激活接头蛋白ERIS(也称为STING或MITA),继而招募STAT6和在天然免疫中起关键作用的激酶TBK1,并引起STAT6蛋白的磷酸化,活化的STAT6分子形成二聚体进入细胞核中行使转录因子的功能,上调一类特异性的细胞因子(趋化因子)的表达,继而招募多种免疫细胞(单核/巨噬细胞、粒细胞、肥大细胞、淋巴细胞、树突状细胞等)达到病毒感染部位,引发机体的抗病毒免疫反应(CELL, 2011, 147: 436-446)。该项研究为人们进一步认识免疫系统如何抗御病原微生物感染的机制提出了新思路。

我们利用生物化学等方法筛选得到了一批S期细胞周期检验点的靶蛋白。进一步研究发现其中一个靶蛋白Dna2在维持DNA复制叉稳定中起重要作用。如果Dna2蛋白缺失或功能变异,将导致DNA复制叉倒转并大量积累。倒转的DNA复制叉是一种病理结构,会导致DNA复制叉垮塌或DNA断裂,进而引起DNA复制不能完成或基因组重排。S期细胞周期检验点ATR-Chk2通路通过直接磷酸化Dna2在第220位的丝氨酸从而稳定Dna2与停顿的DNA复制叉的结合,Dna2利用其能切割长片段单链DNA翘起的核酸酶活性来切除停顿的DNA复制叉中的异常单链翘起结构,进而防止复制叉的倒转以维持复制叉稳定(CELL, 2012,149: 1221-1232)。这一新通路的发现解决了一个长期悬而未决的问题,即S期细胞周期检验点是如何防止复制叉倒转而稳定停顿的DNA复制叉,并为DNA复制叉稳定性的机理研究提供了新的方向,是该领域的重要突破之一。

我们揭示了植物内源基因,尤其是蛋白编码基因,如何避免遭受细胞内重要的免疫机制--转录后基因沉默系统的攻击。利用一个拟南芥转基因株系作为背景,通过正向遗传学的策略成功筛选到多个发生转基因沉默的抑制子突变体。克隆基因发现三个突变基因均为细胞质RNA降解途径的必需组分(5’ -3’和3’-5’降解途径),表明细胞质RNA降解途径抑制转基因沉默。两条RNA降解途径在真核生物中非常保守,在拟南芥中,阻断一条途径植物生长发育基本正常,表明这两条RNA降解途径在植物发育中存在功能冗余(SCIENCE, 2015, 348: 120-123)。当两条途径被同时缺失突变后,植物表现出严重的发育缺陷,包括发育延迟,分生组织缺陷,不育等,极端情况下导致胚胎致死。与此对应,植物在全基因组水平的基因表达情况出现明显紊乱。有意思的是,阻断RNAi途径后,两条RNA降解途径突变体所表现的发育缺陷几乎完全得到矫正,同时75%以上的基因表达紊乱可以得到恢复。利用小RNA测序方法发现,两条RNA降解途径的缺失导致441个蛋白编码基因产生了高丰度的长度为21-22核苷酸的次级小干扰RNA(被命名为ct-siRNA),这类小干扰RNA的产生依赖RDR6-DCL4/2途径,其功能部分依赖AGO1。进一步研究表明,至少一部分小干扰RNA对其同源基因的表达产生抑制作用,进而导致多方面的发育缺陷。

我们还揭示了一条新的乙烯信号转导通路。EIN2是乙烯信号通路的关键正调组分,前期研究表明其通过“剪切、穿梭”机制来衔接自内质网膜上的乙烯感知至细胞核内的转录调控事件。最近,我们发现了EIN2通过抑制EBF1和EBF2mRNA的翻译过程来激活乙烯信号的新机制(Cell, 2015, 163: 670-683)。我们的研究表明EBF1/2mRNA的3’UTR具有介导EIN2所调控的翻译抑制的作用;此外,我们还发现这两个mRNA的3’UTR中存在多个PolyU基序,是介导翻译抑制过程的顺式作用元件。进一步研究表明,乙烯诱导EIN2与3’UTR发生相互作用,并促进其与包括EIN5、PAB等多个蛋白互作而将EBF1/2mRNA锚定到processing body(P-body)中。我们的研究揭示了翻译调控是乙烯信号转导的关键步骤之一,并首次阐明了植物中mRNA的3’UTR可以作为“信号转导子”感知并传递细胞内、外的各种信号。

探索基因及其表达的蛋白在特定生理、病理、发育等过程中所起的作用一直是生命科学领域研究的重要内容。实验室的科学家开发了一种基于CRISPR/Cas9系统的慢病毒聚焦型人源细胞文库、功能性基因筛选平台以及基于高通量深度测序技术解析数据的完整技术路线(Nature, 2014, 509:487-491)。利用这一高效的新型遗传筛选技术,成功鉴定出对两种细菌毒素侵染宿主所必需的宿主受体、以及多种新型蛋白位点。这一强大的高通量基因筛选技术的建立不仅能够帮助人们研究与病菌侵染相关的宿主蛋白及通路,还可以惠及众多生物医学相关领域的研究。这项具有里程碑意义的工作是在激烈的国际竞争中完成的,与已经在《科学》杂志发表的两篇主题相近的文章比较,该工作所报道的方法具有更为广泛的细胞系适应性,对于功能性基因的筛选和鉴定具有十分重要的意义。

探索5-醛基胞嘧啶等新型核酸修饰的生物学功能是目前核酸表观遗传学的研究热点,而其中一个主要的难题,就是如何实现5fC等核酸修饰在基因组中的精准定位。我们通过化学生物学的手段,利用一种小分子化合物对5fC的特异性化学标记,并在PCR扩增过程中使被标记碱基实现C-T转变,从而发展了不依赖于亚硫酸氢盐处理的5fC单碱基分辨率测序技术:fC-CET (Cyclization-Enabled C-to-T Transition of 5fC,Nature Methods, 2015, 12: 1047-1050)。利用这一方法,该研究成功鉴定了小鼠胚胎干细胞中5fC的单碱基分辨率谱图,同时发现5fC富集的区域比5hmC(5-羟甲基胞嘧啶)富集的区域更为活跃。由于这一技术不对基因组DNA造成明显降解,fC-CET也将适用于小量、珍贵核酸样本的分析与测序(Nat Methods, 2015,12: 1047-1050)。

实验室作为重要通讯作者单位之一参与发表了二倍体棉花雷蒙德氏棉基因组、亚洲棉基因组、四倍体陆地棉基因组序列草图,研究数据表明亚洲棉A基因组为1,724 Mb,含有41,330编码蛋白的基因;雷蒙德氏棉D基因组为775Mb,含有40,976个编码蛋白的基因;陆地棉AD全基因组序列为2,173 Mb,含有大约76,943个编码蛋白的基因(Nature Genet. 2012, 44: 1098-1103; 2014, 46: 567-572; Nature Biotech., 2015, 33: 524-530)。研究发现,乙烯合成关键基因ACO转录水平在几乎无纤维的雷蒙德氏棉中竟然高出陆地棉数百倍,暗示乙烯在棉纤维的发育过程中起着复杂的调控作用。比较基因组学研究发现ACO基因的启动子在二倍体棉花亚洲棉和雷蒙德氏棉中有很大差异。序列比对发现来自于A基因组的ACO1启动子上128 bp序列的丢失导致了MYB结合位点的缺失,来自于D基因组的ACO3启动子上出现了indels从而产生了两个新的MYB结合位点。凝胶阻滞实验显示ACO1和ACO3启动子上含有MYB结合位点的探针与核蛋白孵育之后出现迁移率的改变,暗示MYB转录因子可能在调控ACO的表达上发挥重要作用。体外胚珠培养实验显示雷蒙德氏棉产生最大量的乙烯,陆地棉次之,亚洲棉最少,暗示精确调控乙烯的合成控制棉纤维的最终长度,首次提出了乙烯调控棉纤维伸长的分子生物学和功能基因组学证据。

重点实验室本着基础研究与国家重大需求的应用基础研究相结合的原则,力争在生物大分子与生物药物研究、植物发育与功能基因研究、植物与微生物相互作用研究以及生物信息与基因演化等四个领域做出更大成绩,不断为国家建设添砖加瓦,为世界的科学发展做出新贡献!