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研究人员使用RNA-Seq来构建致命盒子果冻的触手转
行业新闻 2019-01-02 11:13

  2016年,10x Genomics公司推出ChromiumTM系统,这是一套分子条形码和分析系统,由仪器、试剂盒和信息学软件组成,能全面对接Illumina测序仪。

  当你到达它时,盒子水母只是粘性物质。它们的大部分体积是mesoglea,一种非生命的果冻状物质,夹在两个薄薄的组织层之间。它们没有牙齿可咬,没有爪子可以划伤 - 当我们想象一个无情的捕食者时,我们通常都没有想到的武器。然而,这些无骨无脑的盒子是地球上最致命的动物之一。箱形水母Chironex fleckeri 可以在不到五分钟的时间内杀死一个成年男子,它的触须中含有的毒液中含有一些世界上最快速,最强效的毒素。

  然而,这些毒素究竟是什么,仍然是一个神秘的东西。科学家们几十年来一直试图确定盒状果冻毒液的成分,但只发现了它的一些有效成分。虽然还有更多需要学习的内容,但上周,澳大利亚昆士兰州的一个研究小组发布了迄今为止最广泛的Chironex 毒液蛋白分析,揭示了这些凝胶状杀手配备的一些不同的武器库。

  盒子果冻,像刺胞动物门的其他成员一样,在它们的触须上装有刺痛的细胞。在每一个中都是称为刺丝囊的结构,其包含毒液和生物线上的鱼叉状结构。当刺细线被触发时,它们的鱼叉以每小时超过40英里的速度射出,产生与一些子弹一样多的穿透力。盒状果冻的受害者可能在几秒钟内被数百万个这些微小的刺痛细胞击中,造成巨大的痛苦伤痕。在严重的情况下,毒液引起全身效应,包括急性心血管衰竭和死亡,在几分钟或更长时间内延迟但可能致命的症状 - 一种称为Irukandji综合症的病症。

研究人员使用RNA-Seq来构建致命盒子果冻的触手转录组

  “尽管这种水母对澳大利亚(以及世界范围内的类似物种)产生了经济和医疗影响,但我们对毒液的确切含义知之甚少,”QIMR Berghofer医学研究传染病与癌症小组负责人Jason Mulvenna解释说。研究所和该论文的合着者发表在 BMC Genomics上。该团队的目标是迄今为止对Chironex毒液进行最深入的分析 ,产生蛋白质组(存在蛋白质的文库)和转录组(表达基因的文库)。

  近年来,这种方法的组合变得越来越流行,因为技术进步为更快更容易的基因测序以及更精确的蛋白质测定打开了大门。虽然他们可以使用遗传或蛋白质组学方法来观察毒液蛋白,但这种组合特别有效。转录组告诉你哪些基因正在被积极表达,但很难说哪些基因实际上是毒液毒素,哪些基因参与日常细胞维持。同样,虽然蛋白质可以直接测序,但是如果没有遗传信息,很难理解那种数据,而且Chironex没有公开的基因组。因此,使用这两种方法是团队成功的关键。

  从遗传方面来看,他们使用下一代测序构建了一个触手转录组。这是通过分离出所有信使RNA序列(或“转录物”)来完成的 - 这是从基因到蛋白质的途径的第一步。然后他们将这些切成小块并对它们进行测序。就像从10个单词的句子片段重新创建一本书一样,团队能够使用特殊的计算机程序来对齐小块,最终创建表达基因的库。

  然后是蛋白质方面的时间。为了构建一个'蛋白质组',该团队必须将毒液与果冻触须隔离开来。与蛇或蜘蛛不同,水母不能“挤奶” - 因此团队必须将刺丝囊与新鲜的触须分开,使它们“刺痛”,然后将毒液从胶囊本身分离出来。然后可以将该毒液产物分离成单独的组分并使用凝胶电泳,液相色谱和质谱分析进行鉴定。

  触角产生超过20,000个预测的蛋白质序列,研究人员将其与UniProt数据库中的已知蛋白质进行比较,以识别潜在的毒素。他们最终得到了来自十个不同蛋白质家族的179种可能的毒素。他们的串联蛋白质组学分析特异性地鉴定了其中13种具有相对高丰度的毒液:7种蛋白酶,其中4种是金属蛋白酶,含有α-巨球蛋白结构域的蛋白质,2种过氧化物酶毒素,2种CRISP蛋白质和类似于turripeptide的蛋白酶抑制剂。 今年早些时候的另一项研究同样构建了转录组,两个研究小组都发现了金属蛋​​白酶和蛋白酶抑制剂。

研究人员使用RNA-Seq来构建致命盒子果冻的触手转录组

  研究小组还发现了已知的多种成核蛋白或孔蛋白的新变种,这些蛋白已经在多种物种中被发现。当科学家们开始他们的探索时,Chironex fleckeri 知道了四个人 - 该团队找到了十五种不同变种的证据 。

  “我们现在知道有一大堆独特的毒素,只有在水母中才能找到,这可以解释为什么箱形水母是人类已知的最有毒的生物之一,”Mulvenna说。

  “现在我们知道水母毒液中有什么东西可以做两件事; 我们可以开始为水母蜇伤提出新的治疗方法,直接针对我们在毒液中发现的蛋白质; 我们可以开始看看这些新型毒素是否对我们有用,“Mulvenna解释道。更有针对性的疗法是一个受欢迎的想法,因为之前的研究质疑盒装果冻抗蛇毒血清是否有效。最近的一项研究表明,例如,在动物毒液模型中,孔蛋白毒素的特定阻断剂比抗蛇毒血清的效果要好得多。现在有了新的目标需要考虑,科学家们可以创造一种更好的治疗方案来阻止毒液最致命的活动。

  也许具有讽刺意味的是,这些致命的活动也可以被利用。越来越多的科学家正在开采有毒动物用于新型药物。毕竟,这些动物已经有数百万年的时间来磨练它们的毒素 - 例如,果冻已经存在了大约6亿年,沿途调整它们的毒液。虽然药物发现的过程漫长而艰难(因此任何盒装果冻衍生药物都需要几年甚至几十年的生产时间),但本研究中创建的毒素数据库现在可以筛选出有用的活动,如抗癌特性。

  虽然结合的方法允许这些新发现,但仍有许多工作要做。“使用这种技术的好处是速度和成本 - 我们可以快速生成转录组并使用蛋白质组学来改进和纠正它,”Mulvenna解释道。然而,所使用的方法可以忽略以较低浓度存在的有效毒素,因此需要进一步研究以检测和测序较少量的蛋白质。

  此外,在没有基因组作为指导的情况下正确组装整个转录组有点像在通过粉碎机后将数百页文本拼凑在一起。当短序列映射回构造的全长序列时,错误突出; 在这种情况下,44%的短序列不匹配,Mulvenna说这是“装配错误的结果。”这表明即使采用双重方法,也会产生我们仍然不知道的蛋白质。 。

  研究设计也只能检测蛋白质毒素。许多毒液都是复杂的化学混合物,含有多种毒素。但就目前而言,该团队已经绰绰有余。

  “现在,当我们开始研究单个蛋白质以了解它们的作用以及为什么它们如此有效时,开始变得有趣,”Mulvenna说。

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