DNA损伤应答相关蛋白质机器维持基因组稳定性与细胞稳态的机制

基因组不稳定性和细胞稳态失衡是衰老及肿瘤、糖尿病、神经退行性疾病等老年重大疾病的重要诱因,但其中的分子机制尚不清晰,因此缺乏有效的治疗靶标和手段。DNA损伤应答(DNA damage response,DDR)是维持基因组稳定性的关键,其过程包括损伤感应、信号激活和传导、效应等不同阶段,涉及分子识别和靶向募集、信号激活和传导、损伤修复和基因转录、细胞凋亡、转化与衰老等生物学过程。DDR依赖诸多损伤修复因子的直接参与,也需要染色质重塑(chromatin remodeling)及关键蛋白质机器的可逆性翻译后修饰的精细调控作用。国家重点研发计划蛋白质机器与生命过程调控重点专项项目"参与DNA损伤应答的新型蛋白质机器维持基因组稳定性的机制研究"针对DNA损伤应答的动态过程,聚焦染色质重塑(chromatin remodeling)与蛋白质翻译后修饰(post-translational modification,PTM),筛选、鉴定新型调控染色质重塑的蛋白质机器及新型蛋白质翻译后修饰,阐明其对DNA损伤应答的时空调控机制,阐明其结构特性,揭示其结构或功能异常所致DNA损伤应答缺陷,诱发基因组不稳定性、细胞稳态失衡和肿瘤发生发展的关联机制,筛选靶向先导化合物并探讨其在肿瘤治疗中的作用机制及应用,为药物研发、临床诊治提供新的理论依据。     

调控染色质高级结构的蛋白质机器的系统鉴定与机制研究

染色质高级结构及功能研究是当前生命科学领域的国际前沿热点。染色质高级结构决定了基因的正确表达,其异常通常伴随着发育畸形和癌症发生。迄今为止,染色质高级结构如何建立和维持、如何行使功能、其动态变化及其与基因、细胞功能的关系尚不清楚。本项目整合团队在染色质高级结构蛋白质机器的功能基因组学、染色质高级结构蛋白质机器的功能动态调控以及染色质高级结构蛋白质机器的结构与组装方面的优势,围绕"染色质高级结构的调控及功能"这一关键科学问题,从3个角度深入研究拓扑相关结构域的形成与功能相关的蛋白质机器,包括调控染色质高级结构蛋白质机器的系统鉴定、单细胞和全基因组水平上染色质高级结构动态调控的机理研究、染色质高级结构对基因和细胞功能调控的结构基础和分子机制。     

RNA-蛋白质机器在哺乳动物遗传信息表达中的调控功能与机制

遗传信息的表达是生物体生存发展的基础。RNA不仅是遗传信息传递过程中的信使,还在多个层面上参与遗传信息的调控。RNA与蛋白质组成复合物,参与调控配子发生、组织器官形成、个体生长发育及疾病发生发展等一系列生理病理过程。系统解析小RNA-蛋白质机器、长链非编码RNA-蛋白质机器、转录及转录后加工中的RNA-蛋白质机器等在哺乳动物遗传信息表达中的功能和机制,将促进我们对生命奥秘的了解,有助于我们开创和完善RNA-蛋白质机器组学研究体系,建立规模化RNA-蛋白质机器功能研究平台。项目的顺利执行将揭示RNA-蛋白质机器的相关生理及病理功能,全面提升我国在该领域的研究水平和国际影响力。     

免疫细胞多样性产生中蛋白质机器调控基因组稳定性的机制

基因组编码的遗传信息是生命活动的基础,生物体进化出多套DNA损伤应答通路维持基因组稳定性。而"祸兮福之所倚",特定体细胞基因组的程序性异变又能赋予这些细胞新功能。获得性免疫系统中受体基因多样化是免疫细胞识别各类病原体的分子基础。在免疫T和B细胞发育中,重排酶RAG及脱氨酶AID在受体基因簇起始DNA损伤,这些程序性DNA损伤被易错修复解读为多样化的序列,最终造成受体分子多样化。免疫细胞受体基因多样化过程中,DNA损伤应答蛋白质机器维持基因组稳定性的分子机制是目前的研究热点也是相关免疫疾病诊疗的迫切需求。本项目将聚焦于免疫受体基因簇上程序性DNA损伤的应答通路抉择、空间调控机制以及淋巴瘤发生中基因组不稳定性产生的病理机制,发展癌症基因组染色体易位测序方法,探索在体外培养细胞中重现B细胞受体即抗体多样化的新技术。     

“环境诱发情绪异常”神经机制的多尺度成像方法研究

人类情绪会受到外界环境特别是光环境的影响,如光照周期长短的变化会导致季节性情感障碍患者出现忧郁或躁狂的症状,因此环境诱发的情绪异常也逐渐成为广泛关注的科学问题。本项目围绕视觉细胞感知外界光环境变化与大脑皮层下与情绪相关的核团间直接投射神经环路的结构与功能这一关键科学问题,基于同步辐射、稳态强磁场等大科学装置,发展从活体、器官、组织、细胞、分子等多尺度、多维度成像及数据整合方法,并应用这些方法解释视网膜直接投射至情绪相关核团的直接神经环路,为"环境诱发情绪异常"分子机制、疾病诊疗提供科学依据。项目研究进展包括:(1)研制了小动物活体成像的系列线圈;建立了优化弛豫、扩散检测等 MRI方法;建立了多模态影像数据处理的软件工具包;开展了情感障碍模型大鼠 MRI的研究。(2)升级和完善了多种显微成像技术,包括超分辨 STED 系统、软 X 射线相干衍射实验平台与光电关联成像技术;利用电镜成像技术解析了多种超微结构;筛选了可作为X射线敏感探针的纳米材料并在细胞成像中应用。(3)建立了基于真空紫外光源的质谱成像系统;构建了抑郁症小鼠模型;完成了小鼠脑片的初步成像;搭建了基于荧光寿命检测的显微成像设备;鉴定了近红外视觉相关神经环路。(4)建立了复杂生物体系的多尺度理论模型和计算方法;开发了复杂生物体系光谱模拟方法;建立了多尺度实验数据集成分析方法;研发了多模式成像探针。     

钙闪烁引导细胞迁移

细胞迁移在个体发育、组织重塑、损伤后再生以及肿瘤发生等过程中发挥着重要作用。细胞迁移过程受钙信号调控,但长期困扰这一领域的一个悖论是,为何引导迁移的细胞前沿区钙信号反而较低。本研究采用高分辨率共聚焦钙离子荧光成像技术,在迁移的成纤维细胞中首次探测到动态微区钙信号——“钙闪烁”（calcium flickers）。钙闪烁富集于细胞迁移前沿,与静态钙离子梯度恰恰相反。产生钙闪烁的分子机制涉及两类钙离子通道,即细胞表面TRPM7牵张激活通道和内质网膜上的IP3受体。在趋化因子PDGF作用下,引导前沿中钙闪烁呈不对称分布,从而促进迁移细胞的转向。研究结果不仅完美地解释了上述悖论,同时揭示了微区钙信号如何通过精细的时空整合调节细胞迁移、趋化反应等复杂的生命过程。     

人参液泡膜水孔蛋白基因PgTIP1的克隆和应用

水孔蛋白是一种承担水分跨膜运输的功能性通道蛋白，植物细胞的生长、发育与细胞内的水分状况密切相关。在生长发育过程呈不同水孔蛋白在时空上的特异表达表明，它们参与了植物生理活动的方方面面。     

分子生物学中的几个哲学问题

生物学在19世纪以前，主要研究的是细胞以上水平的生命活动。1897年生物化学诞生之后，开始了在分子水平上探索生命之谜的征程。经过半个世纪的努力，人们主要弄清了有关能源物质的代谢过程，但对蛋白质和核酸这两种最主要的生命物质的更新过程，特别是它们的合成缺乏了解。1953年，分子生物学诞生后，这个问题才得到了解决。生命活动在分子水平上主要是蛋白质和核酸的活动。因此，分子生物学的发展对于最终揭开生命之谜具有决定意义。生物体是自然界中最复杂的系统，分子生物学在发展过程中必然会涉及许多重要的哲学问题，本文就其中几个问题发表些粗浅的看法。     

纳米生物技术--纳米科技与生物技术的交叉

一、纳米生物技术的界定 纳米科技是指在1～100nm尺度空间内研究物质运动规律和性质的科学和技术,其最终目标是人类按照自己的意志直接操纵单个原子和分子,制造出具有特定功能的产品:分子机器(molecular machine).生物分子都是处在纳米尺度,生命是纳米水平的分子运动,从这个意义上讲,自然界早就存在分子机器了,细胞就是一个可以自我复制的分子机器.因此,纳米技术首先应该从师于生命体;或者说,纳米科技与生命科学交叉、融合而成的纳米生物学将给我们以自然的启示.     

阳离子-π相互作用对整合素α4β7配体结合亲和性及其信号转导的调控

淋巴细胞在血管内皮表面的黏附和迁移是炎症反应病理过程中的重要步骤和关键环节,这一过程是由淋巴细胞表面的一类特殊黏附分子——整合素所介导的。研究显示,整合素α4β7的异常表达和活化与一些人类自身免疫疾病密切相关,如溃疡性结肠炎、克罗恩病等。整合素α4β7的生物学功能是依靠对其配体亲和性及其相关信号转导的动态调控来实现的。这种精确的动态调控机制一直以来都是整合素研究领域的热点。我们的研究发现整合素α4β7的特异性决定环（specific determining loop,SDL）与协同金属离子结合位点（the synergistic metal ion binding site,SyMBS）通过一对特殊的阳离子-π相互作用相连接。该阳离子-π相互作用的丧失严重影响了高亲和性α4β7介导的细胞稳定黏附,但是对低亲和性α4β7介导的细胞滚动黏附影响很小。破坏该阳离子-π相互作用诱导了整合素胞外区的部分伸展和胞内亚基一定程度的分离,并影响了整合素所介导的双向跨膜信号传递,表现为胞内paxillin蛋白水平上调以及paxillin与α4β7的结合增强,同时胞内FAK蛋白表达以及磷酸化水平上调。研究还发现阳离子-π相互作用的丧失抑制了整合素介导的细胞迁移。该研究首次发现阳离子-π相互作用对整合素配体结合亲和性以及信号转导的调控机制,不仅有助于我们进一步了解整合素相关的生理病理过程,而且为相关自身免疫疾病的治疗提供了一个新的药物靶点。     

基于蛋白质机器的抑郁障碍脑分子网络图谱构建及应用

脑认知科学的情感环路与蛋白质科学中不同蛋白质机器间相互作用形成关系网络的交叉与整合,构成了当今全球脑蛋白质组学研究的全新领域。抑郁障碍是一种严重危害公共健康的重大脑精神疾病,主要罹患青壮年。我国现有5 775万抑郁障碍患者,其中每年约有25万人死于自杀,抑郁障碍已成为全球首位致残性疾病。因此,围绕抑郁障碍全球脑科学研究热点,将系统构建抑郁障碍脑分子数据库及全景展现蛋白质、代谢分子的网络图谱,并基于所获得的大数据集从"Brain and body"抑郁症肠道微生物致病学说和抑郁障碍潜在蛋白质机器的两个角度研究和阐述难治性抑郁、抑郁伴自杀的病理生理过程,最终通过临床诊断试剂盒的研发、先导化合物的抗抑郁应用及全国多中心临床试验开展,以期构建抑郁障碍临床分子分型诊断体系,实现抑郁障碍个体化诊疗,开拓抑郁障碍治疗全新格局。提出的4个研究内容包括基于蛋白质机器的抑郁障碍脑分子网络图谱的构建、"微生物-肠-肝-脑"轴调控抑郁障碍分子网络的脑新型蛋白质机器研究、脑分子网络中自杀和难治性抑郁等关键蛋白质机器的功能机制研究以及抑郁障碍脑分子网络图谱的关键节点蛋白质复合体的筛查及临床分子分型研究。     

线粒体内膜膜蛋白结构研究的新方法及应用

线粒体是细胞内极其重要的细胞器。一方面作为细胞的能量工厂,提供ATP来满足细胞的各种活动需要;另一方面,作为细胞内信号传导的节点,调控细胞内许多重要的生理进程。因此线粒体的功能紊乱直接导致多种重大疾病,对线粒体的研究是我国医学健康领域的重大需求。线粒体内膜如何进行跨膜信号传导,从而完成各项生理学功能,这方面的研究工作还比较缺乏。本项目旨在研究和发展新方法,改善长期困扰真核膜蛋白表达和纯化的瓶颈,力争探索出一条适合于实验室常规应用的真核膜蛋白表达纯化的路径。并在膜蛋白结构研究的三大主要技术——X-射线晶体衍射、生物冷冻电镜和核磁共振的现有基础上,开发和利用新技术和新方法,对具有重大生理功能的线粒体内膜膜蛋白质开展结构生物学和生理学功能研究,阐明线粒体跨内膜信号传导的科学问题。     

抗病毒天然免疫、炎症与癌变机制

免疫反应是宿主防御病原感染、组织损伤和细胞癌变等危险信号的保护机制,受到精密调控。而失调的免疫反应是诱发急慢性炎症、自身免疫和肿瘤等多类重大疾病的关键因素。本项目以抗病毒天然免疫与炎症反应信号转导调控、适应性免疫细胞调控炎症反应以及组织免疫(炎性)微环境调控炎症反应及癌变的机制等3个相互关联的研究方向为重点,从分子、细胞、动物模型及人类临床样本等多层面上贯通研究,系统阐述病毒诱发的免疫反应的动态调节网络、炎症与癌变的关系等,并以此为基础发展相关疾病的新型免疫干预策略。     

细胞生物学名词（第二版）全国科学技术名词审定委员会 公布

细胞生物学 cellbiology从细胞整体、显微、亚显微和分子等各级水平上研究细胞结构、功能及生命活动规律的学科。     

细胞生物学名词(第二版)

细胞生物学 cellbiology从细胞整体、显微、亚显微和分子等各级水平上研究细胞结构、功能及生命活动规律的学科。     

细胞生物学名词(第二版)

细胞生物学 cell biology 从细胞整体、显微、亚显微和分子等各级水平上研究细胞结构、功能及生命活动规律的学科.     

模拟生物膜超分子体系的结构及弱相互作用研究

利用现代分析测试技术,研究了NaCl、KCl、PVP、胆固醇、葡萄糖和蔗糖等分别与膜脂的相互作用,发现它们能引起脂质膜超分子体系液晶态结构的变化.葡萄糖和蔗糖对脂双层膜结构有稳定作用.在NaCl溶液中制成的脂质体,随着NaCl浓度的增加,它们的双层膜更稳定.在KCl溶液中结果恰好相反.用原子力显微镜(AFM)观察到液晶态脂质体的立方相和双层膜共存的结构.两相共存的状态与双亲性分子的结构、浓度以及介质的组分和pH等因素有关.研究结果表明,生物超分子聚集体的氢键、分子van der Waals力、离子的静电力等这些弱相互作用的协同性、方向性和选择性,可能决定着生物膜的结构和功能.     

基于基因组不稳定性的新型蛋白质机器在肿瘤发生发展中的作用、机制及干预

恶性肿瘤已成为我国居民第一死因,严重威胁着人民生命健康。基因组不稳定性是恶性肿瘤的关键特征之一,包括染色体的易位、缺失和基因变异等方面,可产生激活的癌蛋白、失活的抑癌蛋白或融合蛋白。这些蛋白在肿瘤细胞中的表达具有差异性,可组成促进肿瘤发生发展的蛋白质机器,调控肿瘤干细胞与肿瘤微环境,导致肿瘤治疗抵抗和复发转移,是理想的诊治靶标。然而,肿瘤特异性靶点及其药物依然非常有限。筛选和鉴定基因组不稳定性引起的参与肿瘤发生发展的新型蛋白质机器,对其功能机制进行深入研究,研发抗肿瘤的新型靶标和诊疗手段,对推进癌症的攻克具有重要意义。本项目研究目标主要包括:(1)发现和鉴定10~15种基于基因组不稳定性产生的与肿瘤发生、发展密切相关的新型蛋白质机器;(2)阐释基于基因组不稳定性的蛋白质机器的组成、功能、结构、修饰、作用网络和调控机制;(3)揭示基于基因组不稳定性的蛋白质机器对肿瘤干细胞、肿瘤微环境和治疗耐受的影响机制。     

转录共激活因子TORC1对神经系统可塑性的调节

一、引言可塑性是神经系统的重要特征,即神经系统通过改变神经元之间的联系强度以适应外界环境或自身活动变化的动态特性。可塑性贯穿于神经系统的各种生理和病理过程中,包括神经系统的发育、学习记忆、修复再生以及毒品成瘾等[1—5]。神经系统可塑性的分子和细胞生物学机制是神经科学研究的最重要领域之一。神经元活动依赖的基因表达和蛋白质合成是形成各种生理和病理可塑性的分子基础[6]。其中,神经元活动依赖的CREB(cAMP-responsive el-ement binding protein)靶基因转录,比如BDNF(脑衍生的神经营养因子)等基因的表达对于可塑性的维…     

细胞趋触性和趋硬性运动中蛋白质机器的研究

生命体每时每刻都处于运动变化中。细胞也同样具有运动的性质。定向迁移是细胞运动的关键形式,也是对外界环境和信号的重要应答。细胞定向运动主要分为趋化性、趋触性和趋硬性3种。相比趋化性运动,趋触性和趋硬性运动中关键蛋白质机器的研究相对缺乏。但这两种定向运动在胚胎发育、伤口愈合和免疫反应等生理过程中发挥重要作用,其异常则广泛存在于癌症转移、发育畸形和慢性炎症等病理过程中。本研究将从细胞骨架和细胞迁移,细胞力学和生物建模以及生物信息学和蛋白质机器的结构研究等方面入手,从多个角度深入研究趋触性和趋硬性这两种细胞定向运动中关键蛋白质机器的结构、功能和调控机理这一关键科学问题。