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背景
蛋白质组远比基因组多样化,一些研究估计,我们的细胞仅用25000个基因就能产生数十万种蛋白质。这种多样化大部分发生在mRNA前体 (pre-mRNA)水平,在翻译成蛋白质之前可以经历各种过程。近年来引起极大兴趣的一个过程是多聚腺苷酸化。随着新生RNA成熟,多聚腺苷酸化机制将其在3 '非翻译区 (UTR)的poly (A)位点 (PAS)切割,并合成聚腺苷酸或poly (A)尾部,以发出转录应终止的信号,以保护末端免受降解。最终3'UTR的长度决定了microRNA和RNA结合蛋白可结合的调控元件的数量,从而指导mRNA的翻译、稳定性、定位和产生蛋白的组织特异性功能。然而,每个mRNA不只有一个PAS:3'UTR可以包含几个PAS,PAS也可以位于外显子、内含子,甚至5'UTR内。按照惯例,PAS近端上游的3'UTR被称为组成型3'UTR,而仅存在于较长亚型中的下游区域称为“替代UTR”。因此,选择性聚腺苷酸化 (APA)描述了在3'UTR或基因内部的位点上使用任何替代PAS的裂解。与3'UTR-APA不同,当APA发生在基因内的PAS处时,称为“内部APA”。
简介
2023年2月17日,来自美国哥伦比亚大学欧文医学中心的Nicola de Prisco及其团队在Sci Adv (IF: 14.98)杂志上发表名为Alternative polyadenylation alters protein dosage by switching between intronic and 3'UTR sites的研究[1]。
研究要点
选择性多聚腺苷酸化 (APA)通过在位于3 '非翻译区 (3'UTR)、内含子或外显子的poly (A)位点切割前体mRNA,产生不同的转录本。大多数研究集中在3'UTR内的APA;然而,在本研究中,我们发现CPSF6功能不全会改变蛋白质水平,并通过解除对整个转录本的APA调控而引起发育综合征。在人类新生儿和斑马鱼幼鱼中,CPSF6不足以一种特定的方式改变了poly (A)位点在3'UTR和内部位点之间的使用。与神经元功能相关的基因多发生内含子APA,表达降低,而与心脏和骨骼功能相关的基因多发生3'UTR APA,表达上调。这表明,在健康条件下,细胞在内部和3'UTR APA之间切换以调控蛋白表达。
主要结果
CPSF6功能缺失会导致神经、心脏和骨骼异常
核心裂解和多聚腺苷酸化机制由四个名称相似的亚复合物组成:CFI,CFII,裂解和多聚腺苷酸化特异性因子,裂解刺激因子。我们重点关注CFI复合体,因为已知它参与PAS选择,并且其成员之一CPSF5 (裂解和多聚腺苷酸化特异性因子5,也称为NUDT21, nudix水解酶21)既往已在发育障碍患者中发现。因此,我们在几个患者数据库中筛选了涉及CPSF6或CPSF7 (切割和多聚腺苷酸化特异性因子7) 的缺失、重复或变异体的个体,即CFI复合体的另外两个成员。CPSF7和CPSF6在所有数据库中均有报道,而CPSF7在所有数据库中均未见报道。有8名受试者 (S1 ~ S8)携带0.25 ~ 9.41兆碱基 (Mb)的杂合缺失,其中最小重叠区域为CPSF6 (图1A)。在CPSF6有致病性单核苷酸变异 (SNV)的15例个体中,我们纳入了3例 (S9 ~ S11;图1 b)。所有三种错义变体都改变了高度保守直至斑马鱼的残基,并且在位置上对错义变体不耐受。Polyphen2预测这三种变异均具有高度破坏性 (图1B)。1名受试者还携带SCAF4 (SR相关CTD相关因子4)的变异,我们确定该变异与表型无关。
图1. 杂合缺失和错义突变降低患者的CPSF6水平
内部和3’UTR PAS使用之间的转换会影响mRNA和蛋白质的丰度
接下来,我们分析了PAC-seq数据集的差异表达基因 (DEGs)。PCA也很容易区分出三组。PolyA-miner分析在受试者8中发现了比在受试者11中更多的DEGs (图3A)。上调和下调基因之间的差异表达基因分布相当均匀,在两名受试者中,受影响的基因有大量实质性但不完全的重叠。我们发现大多数较长的转录本都受到上调。然而,较短的转录本被上调或下调的可能性相同;甚至3'UTR链本身的长度也与mRNA水平的高低无关。这与预期相反,因此我们在DEGs中检测了内含子和3'UTR PAS的使用。
图3. 内含子和3’UTR PAS的使用会随着基因和蛋白表达的变化而变化
cpsf6的缺失抑制了神经元基因,并上调了心血管和骨骼基因
在对患者来源的成纤维细胞进行相同分析之后,我们分析了mRNA,以识别野生型和突变型鱼类之间有差异表达的转录本,并分离了幼虫和头部样本。PCA整齐地分离了cpsf6−/−和野生型对照。与人类受试细胞一样,幼虫中的DEGs约有一半下调,一半上调 (图6A)。幼虫和头部样本之间的大部分DEGs重叠 (图6B)。大多数转录本,无论是短的还是长的,上调或下调的可能性相同。
人和斑马鱼中CPSF6功能的缺失会引起一种综合征,该综合征涉及神经、心血管和骨骼发育方面的损伤,其方式是使通常经历内部APA的大多数转录物改为经历3'UTR APA,反之亦然 (图6E)。这意味着,即使在健康条件下,内部APA,特别是内含子APA,在发育早期调控蛋白质表达方面也起着重要作用。
图6. 基因表达的变化与物种间的PAS选择一致
结论及展望
在本研究中,我们发现CPSF6功能的缺失对PAS选择和蛋白表达产生双向影响。我们的发现不同于之前在人胚胎肾 (HEK) 293T和C2C12细胞中研究CPSF6敲除并发现较短RNA亚型富集的研究。APA具有细胞类型特异性,人成纤维细胞可能不同于HEK293T和C2C12细胞。CPSF6缺陷的斑马鱼与在人类CPSF6缺陷中观察到的表型特征和APA模式相一致,这一事实提供了一个令人信服的案例,表明CPSF6以在所有脊椎动物物种中高度保守的方式控制PAS位点选择,并对发育期间的mRNA和蛋白表达产生显著影响。
原文链接
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ade4814
参考文献
1.de Prisco Nicola,Ford Caitlin,Elrod Nathan D et al. Alternative polyadenylation alters protein dosage by switching between intronic and 3'UTR sites.[J] .Sci Adv, 2023, 9: eade4814.
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国自然专家简介
国自然专家一:T教授,博士生导师。先后主持973计划课题、国家自然科学基金重大研究计划课题等国家级重大项目。担任过多次基金项目的评审专家,将会以评审专家的角度来解析并回答上述的一系列问题,并且将与学员们采取现场互动的方式来授课,点评学员所写的标书存在的问题,赏析中标标书,让学员能在现场模拟撰写!自1998年来,年平均一对一辅导撰写国家自然科学基金60余份,平均中标率达50%以上。特别擅长评审的研究方向是:肠道微生物,代谢,中医药,药理,肿瘤,非编码RNA,免疫,衰老,脑神经科学等领域。
国自然专家二:
M教授,博士生导师。北京大学博士,斯坦福大学博士后,欧盟Erasmus+访问学者。主要从事肿瘤分子生物学,药理学等研究,在相关领域取得了令人瞩目的成就。在Blood、Cancer Research、Oncogene、Journal of Clinical Investigation、Journal of Biological Chemistry等著名杂志已发表研究论文60多篇,IF>400。主持重点国合等项目。评审重点、重点国合、优青、杰青等不同类型项目,经验丰富。
W教授,国内某高校教授,博士生导师。作为课题负责人先后主持肠道菌群与代谢组学研究国家级课题和部省级课题多项,并先后承担多项973计划课题中有关代谢组学方面的研究课题。所带领的团队主要采用代谢组学、生态学、生物信息学、分子生物学等多种宏观与微观相结合的方法,从宿主代谢与菌群微生态交互作用的角度对胃肠道疾病、神经退行性疾病的菌-肠-脑机制进行研究。目前已发表多篇SCI论文,在肠道菌群、代谢组学数据分析策略等相关领域受到了广泛关注和认可。
国自然专家四:
国内知名⾼校教授,博⼠⽣导师,曾在海外从事微⽣态与营养健康相关研究10余年,主要涉及肠道炎症反应、⼤肠癌发病机制以及肌⾁和脂肪⼲细胞⽣理的分⼦机制的研究,拥有⽣物医学、分⼦⽣物学、细 胞⽣物学和⽣物化学等⽅⾯深厚的理论研究及实验操作经验。近年来在Journal of Clinical Investigation, Nucleic Acids Research, PNAS,Cell Metabolism, Gastroenterology 等国际权威期刊发表SCI学术论⽂31篇,总影响因⼦~200,累计参与主持多项国⾃然基⾦及美国国⽴卫⽣研究院(NIH)资助的科学研究基⾦,申请发明专利4件,授权软件著作权1件。近年来在中国肠道⼤会、EMBL Conference、中华医学会等⾼⽔平会议进⾏微⽣物领域专题汇报,获得了业界的⼴泛关注和认可。
国自然专家五:
S教授,博士生导师,研究员,百名青年学科带头人。主要从事单细胞组学、空间组学及表观组学的生物信息分析与调控机制解析。
S教授长期从事单细胞以及表观组学的生物信息学分析及功能研究。阐明RNA修饰调控多种生理(胚胎发育、精子发生、神经发育等)和病理过程(肿瘤发生、肥胖等)的分子机理,并通过单细胞组学揭示癌症等疾病发生的分子机制。其科研成果以(共同)第一作者发表于Nature,Nature Cell Biology,Science Translational Medicine,Molecular Cell, Cell Research等多个具有国际影响力的权威期刊上,引用超过4000次。
国自然专家六:
H教授,博士生导师,主持国家重点研发计划“干细胞及转化研究”重点专项(首席科学家)、国家自然科学基金(5项)、国家重点研发计划发育编程及其代谢调节重点专项PI、上海市科委重大课题等30余项课题,累计经费9600万元。发表论文72篇,其中SCI论文42篇,总影响因子323。以第一作者或通讯作者(含共同)发表SCI论文25篇,总影响因子186,4篇影响因子大于20。申请专利11项,其中5项已授权,国际PCT专利1项。参加专著和国家统编教材编写9部,承担教学课题和学生创新指导课题8项。研究成果被评为中国科学十大进展、细胞出版社中国年度论文、上海市优秀发明金奖、上海医学科技奖二等奖、浦东新区科技进步一等奖等。
国自然专家七:
Q教授,博士生导师,博士生导师,重塑相关心血管疾病教育部重点实验室副主任。兼中国生理学会副秘书长及中国病理生理学会常务理事。长期从事代谢异常与重塑相关心血管疾病的发病机制及潜在靶点研究。在Circulation、Hepatology、J Hepatol等杂志发表论文50余篇。主持国家自然科学基金重大研究计划等项目6项,参与科技部重点研发计划2项,入选北京市海外高层次人才计划及教委长城学者计划等。
国自然专家八:
X教授,脂糖代谢实验室/重庆市重大代谢性疾病转化医学重点实验室,主任、教授、博士生导师、内分泌与代谢学科带头人;中国侨界(创新人才)贡献奖获得者;美国内分泌学会高级会员、美国生理学会、美国糖尿病协会会员;Journal of Neuroendocrinology等期刊审稿专家。近五年,主持国家级项目3项(国家自然科学基金重点项目1项、面上项目2项),省部级课题2项;发表通讯作者SCI 论文5篇;获得中华医学会科研奖励1项;培养博士1人,硕士16人。疾病转化医学重点实验室,主任、教授、博士生导师、内分泌与代谢学科带头人;重庆市生物化学与分子药理学重点实验室PI、脂糖代谢实验室实验室执行主任。中国侨界(创新人才)贡献奖获得者;美国内分泌学会高级会员、美国生理学会、美国糖尿病协会会员;Journal of Neuroendocrinology等期刊审稿专家。近五年,主持国家级项目3项(国家自然科学基金重点项目1项、面上项目2项)。
国自然专家九:
L教授,医院病理科主任、博士生导师、病理学科带头人;重庆市中青年骨干教师,霍英东青年教师奖获得者;USCAP会员,国际老年痴呆协会会员,中国神经科学学会会员,多个国内外期刊审稿专家。近五年,主持国家级项目4项(国家自然科学基金面上项目3项、青年基金项目1项),省部级课题3项;发表通讯作者SCI 论文二十余篇;培养博士1人,硕士23人,曾作为访问学者、访问教授分别留学加拿大、美国。
国自然专家十:
中科院研究员,中国科学院研究生院生物化学与分子生物学博士,2001-2008年任职于美国罗约拉大学医学中心神经科学部期间,曾与著名神经内分泌学专家Louis Van de Kar 教授、George Battaglia教授等合作从事神经药理学研究,共同主持和参与多项美国心脏协会和美国国家卫生部(NIH)项目。2008年回国以来主持多项国自然,评审国自然经验丰富。
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