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生物信息学和天然产物代谢研究组

研究组长：李轩，研究员

主要研究方向及内容：研究组围绕合成生物学、极端微生物宏基因组学的重大问题，利用生物信息学、分子生物学、功能基因组学实验和分析技术，开展以下方向的研究：（1）合成表观生物学: RNA编辑机制的系统进化及功能、和RNA编辑人工机器的构建。

（2）功能基因组与宏基因组：极端海洋环境微生物的功能基因组与宏基因组重构；环境微生物遗传功能演化与环境互作解析。（3）植物代谢组及其遗传调控网络研究；天然产物小分子结构解析和功能表征组。

研究队伍：

工作人员：朱艳、吴雪婷、荆新云

研究生：陈龙现、李雪童、秦航、周辉、张梦杰、周小娟、时晗、江涛

联合培养生：张牛冰（华东理工大学）、洪香娜（河南大学）

 

年度研究进展

1.         Interfering with retrotransposition by two types of CRISPR effectors: Cas12a and Cas13a

近年来发现的、专门靶向编辑RNA的 CRISPR第VI亚型 Cas13，为对逆转录病原体的编辑干预，提供了新的可能性和技术策略。由于逆转录病毒/逆转录转座子生命周期中具有DNA和RNA两个不同阶段的特性，理论上RNA编辑的方法可以通过编辑RNA中间体，有效干预和对抗逆转录病原体，但这一技术策略迄今为止尚没有被探索过。另外，近年来发现与CRISPR-Cas9类似、作用于DNA的CRISPR第V亚型Cas12a，具有一些优秀特性，包括对PAM区的不同要求、自处理产生crRNA的能力、和更高的靶向效率。但到目前为止尚没有Cas12a应用于编辑干预逆转录病原体的报道。

我们采用RNA编辑的策略，实现了对逆转录转座子Tf1（类似于逆转录病毒的模式生物）的编辑干预。通过Cas13靶向Tf1中间转录本的两个特异位点，获得了对Tf1转座活性的16%和60%的显著编辑抑制效果。这些结果第一次证明了RNA编辑是对逆转录病原体有效的干预策略。更进一步，对比Cas13a与靶标结合被激活后（由于其乱切割活性）导致原核宿主细胞生长停滞的现象，研究者没有观察到Tf1在真核宿主中激活导致细胞停止生长的现象。这暗示了RNA编辑技术在真核宿主的安全性，也表明Cas13a在真核细胞与细菌细胞中的作用机制有所不同。同时，第一次采用CRISPR-Cas12a实现对逆转录病原体DNA阶段进行编辑干预，发现Cas12a对Tf1逆转录转座的显著编辑抑制作用。我们猜测残余的转座活性，是由于Tf1中间产物被VLP包装保护的结果。所以通过延长crRNA的表达时间，最终完全消除了残余转座活性，达到了100%的编辑干预效率。该研究开拓了对逆转录病毒/逆转录转座子进行编辑干预的新思路和新方法。比较了RNA编辑和DNA编辑的不同作用机制，完成了两类机制对逆转录病原体复制和转座的编辑干预效果的定量分析，为新技术策略发展建立了基础并提供了系统参数。

2.       Expanding the Coverage of the Metabolic Landscape in Cultivated Rice with Integrated Computational Approaches

在后基因组学时代，基于基因组范围的代谢组分析已经成为了一个重要的手段，被广泛应用于代谢通路和基因功能探究中。近年来，质谱技术的精度，分辨率和灵敏度都有了很大的提升，使得我们可以高通量地收集代谢组学数据。但是由于相应数据分析工具及参考谱图库的缺乏，仅仅有一小部分从植物样本中检测到的代谢物能得到结构鉴定。我们通过整合近些年新发展的算法工具以及生物来源的参考谱图库，来提高植物代谢组的注释覆盖度。从Metlin、Massbank以及Respect数据库中收集的实验谱图，由计算机辅助的理论谱图预测软件生成的虚拟谱图，被用于代谢物的结构注释。与此同时，基于谱图特征结构搜索和中性丢失扫描，代谢物相关性网络的代谢物结构注释方法，被用于注释参考谱图库中不存在的新结构的化合物。我们使用UPLC-Q-Orbitrap平台，对收集到的150种水稻核心种质进行了非靶向代谢组学研究，构建了包括4491个代谢物信号的二级谱图标签库（MS/MS spectral tag library, MS2T）。在MS2T中，1939个代谢物信号得到了注释，代谢物的注释覆盖度有了很大的提升。得益于高注释覆盖度的水稻代谢组，我们对水稻的代谢多样性有了很多新的认识。我们发现了不同修饰类别的黄酮在粳籼稻中的差异积累模式，还同时注释了一系列在丰度上有紧密相关性的黄酮木质素（flavonolignans）。

3.    新型冠状病毒系列研究

(1)   疫情初期率先揭示病毒进化来源，预警新冠病毒人传人风险与致病机制

2019年底武汉发生不明原因肺炎疫情，初步确认一种新型冠状病毒为此次疫情的病原。研究组与中科院上海巴斯德所病原大数据团队、中国人民解放军军事医学研究院毒物药物所团队合作，开展新冠病毒进化来源和致病机制的研究，于国际上第一个揭示并发表了新冠病毒（SARS-CoV-2）的进化来源和人传人致病机制的科学论文。论文题目“Evolution of the novel coronavirus from the ongoing Wuhan outbreak and modeling of its spike protein for risk of human transmission“，2020年1月21日在线发表于《SCIENCE CHINA Life Sciences》（《中国科学：生命科学（英文版）》）。

论文分析阐述了新冠病毒属于beta-冠状病毒，确立了新冠病毒与2002“非典”病毒、2012“中东呼吸综合征”病毒及其他冠状病毒进化关系。论文进一步揭示了新冠病毒spike蛋白与人ACE2作用并介导新冠病毒传染人的分子作用通路。该成果首先提出并预警新冠病毒的人间传染能力，第一个确认新冠病毒与2002“非典”病毒利用相同的机制感染人呼吸道，为新冠病毒尽快确认传染源和传播途径、制定高效防控策略提供了第一手科学依据。

(2)跟进新冠病毒相关研究，发现人群中ACE2具有高度多样性，与新冠病毒spike蛋白结合存在差异

人ACE2基因（新冠病毒spike蛋白的人类受体）的遗传变异，可能是对新冠病毒易感性和COVID-19临床进程的有重要影响的因素。ACE2的天然遗传变异可能会改变人类对SARS-CoV-2的易感性或反应。针对这一问题，我们于合作单位对新冠病毒（SARS-CoV-2）的人类受体基因ACE2开展了遗传突变分析。由于人群ACE2基因的遗传变异可能是影响新冠病毒（SARS-CoV-2）传播和感染严重程度的重要因素，研究者采用分子动力学模拟方法，分析ACE2遗传变异可能对新冠病毒spike蛋白结合能力造成的的影响，从而改变新冠病毒（SARS-CoV-2）的易感性和COVID-19临床进程。研究发现了人群里的至少三个ACE2的遗传突变，与野生型相比对新冠病毒突刺蛋白的结合度增强，拥有这些突变对新冠病毒有显著增高的易感性。至少三个ACE2的遗传突变，与野生型相比对新冠病毒突刺蛋白的结合度明显减弱，拥有这些突变对冠病毒有降低的易感性。这些研究结果帮助解释了不同国家/地区、不同人群中，新冠病毒的传播力、易感性、和临床发展进程中存在的差异。另外，还发现穿山甲ACE2虽然与新冠病毒突刺蛋白也能够结合，但穿山甲ACE2结合力要低于人ACE2与新冠病毒突刺蛋白的结合能力。这些发现，对新冠病毒感染性差异的分子机制和遗传基础，为新冠病毒引起的COVID-19的进一步病理学和流行病学研究，提供了重要的理论框架。

年度代表性论文：

1)      Jingfang Wang？, Xintian Xu？, Xinbo Zhou, Ping Chen, Huiying Liang, Xuan Li*, Wu Zhong* and Pei Hao.(2020). Molecular simulation of SARS-CoV-2 spike protein binding to pangolin ACE2 or human ACE2 natural variants reveals altered susceptibility to infection. Journal of General Virology. DOI 10.1099/jgv.0.001452.

2)      Pei Haoa, Wu Zhongb, ShiyangSonga, Shiyong Fan b and Xuan Li. (2020). Is SARS-CoV-2 originated from laboratory? A rebuttal to the claim of formationvia laboratory recombination. Emerging Microbes & Infections, DOI:10.1080/22221751.2020.1738279.

3)      Xintian Xu？, Ping Chen？, Jingfang Wang？, Jiannan Feng, Hui Zhou, Xuan Li*, Wu Zhong* & Pei Hao. (2020). Evolution of the novel coronavirus from the ongoing Wuhanoutbreak and modeling of its spike protein for risk of humantransmission.         SCIENCE CHINALife Sciences, DOI: 10.1007/s11427-020-1637-5            

4)      Niubing Zhang, Xinyun Jing, Yuanhua Liu, Minjie Chen, Xianfeng Zhu, Jing Jiang, Hongbing Wang, Xuan Li and Pei Hao. (2020). Interfering with retrotransposition by two typesof CRISPR effectors: Cas12a and Cas13a. Cell Discovery, 6:30.