2022年4月8日Science期刊精华

本周又有一期新的Science期刊（2022年4月8日）发布，它有哪些精彩研究呢？让小编一一道来。

1.Science：重大进展！将大鼠多能性干细胞成功诱导为原始生殖细胞样细胞，并培育出健康的大鼠后代
doi:10.1126/science.abl4412

利用多能性干细胞（pluripotent stem cell, PSC）在体外产生生殖细胞，对未来的生殖医学和动物育种有很大的影响。在一项新的研究中，来自日本多个研究机构的研究人员成功地利用在体外产生的大鼠生殖细胞培育出大鼠后代。相关研究结果发表在2022年4月8日的Science期刊上，论文标题为“Functional primordial germ cell–like cells from pluripotent stem cells in rats”。在这篇论文中，他们描述了他们的方法，并解释了为什么他们认为他们的研究工作将导致对其他物种的体外配子发生的更好理解。

人类T2T-CHM13全基因组组装概述，图片来自Science, 2022, doi:10.1126/science.abj6987。

在2011年，2011年，已有一个研究团队开发出一种将小鼠多能性干细胞分化为能够进行配子发生的原始生殖细胞样细胞（primordial germ cell-like cell, PGCLC）的方法，从而在体外重建小鼠生殖细胞特化，更具体地说，开发出一种利用小鼠多能性干细胞产生小鼠精子样细胞（sperm-like cell）的方法，然后用这些精子样细胞使一只雌性小鼠受孕并生下健康的幼鼠。自那时起，已经有许多科学家试图在另一个物种中重复这一壮举，但是在此之前诱导PGCLC在体外产生配子还没有在任何其他物种中实现。这表明实现这一过程可能是多么困难。在这项新的研究中，这些作者以早前的研究为模板，在大鼠身上复制了这一过程。

该过程首先诱导大鼠胚胎干细胞产生胚胎中的上胚层样细胞（epiblast-like cell）。这些作者随后将产生的上胚层样细胞放在含有信号分子和其他成分的培养基中，促进它们转变为大鼠PGCLC。接下来，PGCLC与促进它们成熟和表观遗传重编程的性腺体细胞一起培养，这是模拟正常成熟过程的一种手段。一旦PGCLC成熟了，它们就被移植到一只经过改造后没有生殖细胞的雄性大鼠的睾丸生精小管中。他们让它们自然发育为成熟的精子。他们随后从这只雄性大鼠身上取出精子样本，并将它们直接注射到一只活的雌性大鼠的卵母细胞中，该雌性大鼠生下了健康的后代。他们指出，这些后代成长并能够自然繁殖。

2.Science：新研究揭示肌腱为何像钢丝绳一样结实
doi:10.1126/science.abm2664

在一项新的研究中，来自马克斯-普朗克胶体与界面研究所的研究人员发现了胶原蛋白（collagen）的新特性：在矿物在胶原纤维（collagen fiber）中的嵌入期间，会产生一种比肌肉强度强数百倍的收缩张力。相关研究结果发表在2022年4月8日的Science期刊上，论文标题为“Mineralization generates megapascal contractile stresses in collagen fibrils”。

在电镜下，与(骨矿物质)磷酸钙矿化后的胶原纤维束。图片来自Max Planck Institute of Colloids and Interfaces。

这些作者发现，将不同的矿物人为地掺入胶原纤维，会导致这些纤维缩短，其应力可达每平方厘米100公斤。这相当于肌肉强度的一百倍左右。在矿化过程中，在柏林阿德勒斯霍夫的BESSY II同步加速器上用X射线衍射法观察到胶原蛋白结构的相关变化。胶原纤维的这种收缩显然是在矿物掺入胶原蛋白的过程中发生的，使矿物处于巨大的压力之下，从而增加了复合材料的断裂强度。

这篇论文不仅表明胶原蛋白的这种特殊性质有助于骨骼等矿化组织的强度，而且还概述了一个可以应用于具有出色机械性能的工程混合材料的概念。与此同时，这些研究发现有助于更好地理解组织矿化过程中的生物过程以及矿化程度对宏观材料特性的影响。

3.Science：对癌症中体细胞非编码突变模式的全基因组分析
doi:10.1126/science.abg5601

肿瘤产生的一个关键标志是癌细胞在其基因组中获得了正常组织中不存在的体细胞突变。一些突变是驱动突变（driver mutation），有助于肿瘤细胞生长，但其他许多突变是乘客突变（passenger mutation），对肿瘤生物学没有明显影响。在过去的十年里，通过分析成千上万对肿瘤-正常组织的测序数据，驱动突变在蛋白编码基因组区域（即编码蛋白的基因组区域）中被全面表征。对蛋白编码基因组区域的这种表征产生了对肿瘤生物学的大量见解，包括许多受基因组启发的药物靶标。然而，体细胞突变在剩下98%的癌症基因组---非编码基因组（noncoding genome）---中的作用仍未被完全理解。

许多统计学方法通过比较每个基因中对蛋白编码序列有影响和无影响的突变数量，将驱动突变检测为复发性突变事件。因此，这些方法不适用于蛋白编码区域以外的地方，在那里，体细胞突变的作用仍然不甚明了。非编码基因组包括多种不同的序列元件，包括基因表达的调节区域，这些调节区域的位置和活性在不同的肿瘤类型中有所不同。在一项新的研究中，为了扩大对蛋白编码区域以外的突变的理解，来自布罗德研究所、丹娜-法伯癌症研究所、哈佛医学院、布莱根妇女医院和乌特勒支大学医学中心的研究人员设计并实施了一种全基因组的滑动窗口方法来检测突变事件，而不考虑其在调节元件中的位置或对蛋白编码序列的影响。相关研究结果发表在2022年4月8日的Science期刊上，论文标题为“Genome-wide analysis of somatic noncoding mutation patterns in cancer”。

人类癌症中体细胞突变模式的全基因组概要。图片来自Science, 2022, doi:10.1126/science.abg5601。

这些作者开发了三种方法的组合，以检测含有6120万个体细胞突变的19种癌症类型的3949名患者的全基因组中的复发性突变事件。这种方法根据突变事件在基因组中的位置，自动将其分为不同的类别。在蛋白编码区域，他们发现每种癌症类型平均有7.5个事件，并获得了公认的驱动突变。在非编码基因组中，每种癌症类型有3.7个事件发生在特定组织类型中专门表达的基因附近（肝脏中的ALB基因，前列腺中的KLK3基因，肺部中的SFTPB基因，肾脏中的SLC5A12，甲状腺组织中的TG基因，以及其他）。这些组织特异性事件不太可能是典型的驱动突变，因为它们源于只在这些基因周围活跃的诱变过程，而不是反映了肿瘤细胞起源的表达程序的可能印记。

此外，这些作者在每种癌症类型的表达调节区域发现了3.8个非编码事件，其中许多涉及癌症相关的基因（BCL6、FGFR2、RAD51B、SMC6、TERT、XBP1和许多其他基因）。与调节区域中的大多数事件相反，XBP1附近的乳腺癌突变主要积累在它的启动子之外的一个调节区域。他们通过进行CRISPR干扰筛选和荧光素酶报告实验验证了它们对基因表达的调节作用，阐明了全基因组方法与协调测序队列相结合以全面捕捉非编码基因组中已知和未知的序列元件中的突变模式的潜力。

4.Science：通过抓键工程化提高T细胞受体的效力，同时减少脱靶毒性
doi:10.1126/science.abl5282

T细胞受体（TCR）控制T细胞抗原特异性，并在识别肽-主要组织相容性复合体（peptide–major histocompatibility complex, pMHC）时帮助确定反应敏感性。在免疫疗法中，与肿瘤抗原发生反应的TCR用于过继性细胞疗法（ACT）中根除肿瘤，但大多数内源性肿瘤特异性TCR引起的功能反应很弱。为了克服这一限制，肿瘤反应性TCR经历亲和力成熟，以提高其杀伤力。然而，高亲和力的TCR在临床试验中可表现出脱靶毒性，这表明需要新的治疗方法。工程化TCR显示对肿瘤靶标的高效力，同时保留较低的生理亲和力，有可能提高T细胞疗法的疗效，而不增加脱靶副作用的风险。抓键（catch bond）在不断增加的作用力下延长了蛋白之间的结合寿命，从而在pMHC接触时触发TCR激活。然而，抓键是否可以被设计来提高TCR的效力，以及这类TCR是否会保留其天然的特异性和亲和力，目前还不清楚。

在一项新的研究中，来自斯坦福大学和犹他大学等研究机构的研究人员提出需要一种替代亲和力成熟的策略来赋予临床上有用的高效力但低亲和力的TCR[即三维结合亲和力（KD）为~5至50μM]。因此，他们设计了一种称为“抓键搜寻（catch bond fishing）”的工程化策略，它依赖于一种功能选择来招募反应性差的TCR和pMHC之间的抓键。他们推测，通过将某些TCR残基突变成由带电荷或极性氨基酸组成的小文库，然后筛选高效力、低亲和力的TCR变体，可以获得新的抓键。相关研究结果发表在2022年4月8日的Science期刊上，论文标题为“Tuning T cell receptor sensitivity through catch bond engineering”。

这些作者首先将这一工程化策略应用于HIV肽特异性人类TCR（TCR55），TCR55以生理上的三维结合亲和力结合人类淋巴细胞抗原B35（HLA-B35）-HIV复合物，但由于在细胞上明显缺乏抓键的形成，正如生物膜力探针（biomembrane force probe, BFP）所测量的那样，未能激活下游的信号传导。他们的功能选择分离出了CD69高表达和pMHC四聚体染色低的T细胞，从而富集了在低亲和力下触发的抓键工程化TCR（即获得抓键的工程化TCR）。TCR55的α和β链上的单个氨基酸位置是抓键热点，在这些位置上的几个氨基酸替换导致强大的信号传导，尽管保留了生理上的三维结合亲和力。根据细胞上的BFP检测，这些具有信号传导活性的TCR变体获得了抓键，它们较长的结合寿命与信号强度相关。

这些作者接下来将这种抓键工程化策略应用于黑色素瘤抗原MAGE-A3特异性TCR。这种TCR的亲和力成熟版本TCR-A3A，以前曾被用于临床试验，由于HLA-A2呈现来自心血管组织衍生的TITIN分子的肽而引起的脱靶毒性，导致患者死亡。他们分离出几个高效力、低亲和力的亲本TCR变体，它们能以生理亲和力（KD为大约10～50μM）促进杀伤MAGE-A3阳性的癌细胞系。此外，这些抓键工程化TCR变体与表达TITIN肽的细胞没有明显的交叉反应。他们使用一个酵母展示的HLA-A1肽文库来筛选抓键工程化TCR变体的交叉反应性。他们发现，预测的人类自我抗原的交叉反应性与它们的亲和力成熟的TCR-A3A对应物相比，可忽略不计。

5.Science：利用单细胞RNA测序揭示系统性红斑狼疮的细胞类型特异性分子关联和遗传关联
doi:10.1126/science.abf1970

历史上，流式细胞仪和bulk转录组分析被用来分析系统性红斑狼疮（SLE）患者中循环免疫细胞的组成和基因表达。然而，流式细胞术因其使用有限的已知标志物而会出现偏差，而bulk转录组分析没有足够的能力来检测细胞类型的表达差异。对外周血单核细胞（PBMC）的单细胞RNA测序（scRNA-seq）作为一种全面和无偏差的方法，具有同时分析循环免疫细胞的组成和转录状态的潜力。然而，scRNA-seq在人群队列中的应用受到了样本量、成本和对技术变化的敏感性的限制。为了克服这些限制，来自加州大学旧金山分校等研究机构的研究人员之前开发出多重scRNA-seq（multiplexed scRNA-seq, mux-seq），以实现对人群队列的系统性和经济性scRNA-seq测序。

在一项新的研究中，这些研究人员利用mux-seq对来自162名系统性红斑狼疮患者和99名亚裔或欧裔健康对照者的120多万PBMC进行分析。相关研究结果发表在2022年4月8日的Science期刊上，论文标题为“Single-cell RNA-seq reveals cell type–specific molecular and genetic associations to lupus”。

检测系统性红斑狼疮的细胞和遗传相关因素。图片来自Science, 2022, doi:10.1126/science.abf1970。

系统性红斑狼疮患者在PBMC的组成和状态方面都表现出差异。对淋巴细胞组成的分析显示，初始CD4+T细胞（naïve CD4+ T cell）减少，而细胞库限制（repertoire-restricted）的GZMH+CD8+T细胞增加。对八种细胞类型的转录组分析显示，经典的单核细胞对泛细胞类型和髓系特异性1型干扰素刺激基因（ISG）的表达水平最高。单核细胞中ISG的表达与初始CD4+T细胞的丰度呈反比关系。细胞类型特异性表达特征准确地预测了病例对照状态，并将患者分层为不同的分子亚型。通过整合基因分型数据和使用一种新的矩阵分解方法，这些作者绘制了八种细胞类型都共用的顺式表达定量性状位点（cis-eQTL）和每种细胞类型特异性的cis-eQTL。细胞类型特异性cis-eQTL富集于相同或相关细胞类型特有的开放染色质区域。对cis-eQTL和全基因组关联研究结果的联合分析使得与免疫介导的疾病相关的细胞类型得以识别，对疾病相关的位点进行精细测绘，并发现新的系统性红斑狼疮关联。相互作用分析确定了对基因表达的影响因不同患者的干扰素激活而进一步发生变化的遗传变异。

6.Science：利用单细胞eQTL定位确定自身免疫性疾病的细胞类型特异性基因控制
doi:10.1126/science.abf3041

在单细胞分辨率的数据生成过程中，科学家们对遗传差异如何在细胞水平上促进免疫变异的认识受到两个主要挑战的限制。其中的一个挑战是对许多人进行测序，另一个挑战是对每个人的大量细胞进行测序。解决这些挑战对于剖析常见异质性疾病的遗传和分子基础是必要的。在一项新的研究中，来自澳大利亚加文医学研究所、昆士兰大学、塔斯马尼亚大学、墨尔本大学、新南威尔士大学、莫纳什大学和美国加州大学旧金山分校的研究人员提出了OneK1K队列，包括针对从982名供者体内收集的127万个外周血单核细胞（PMBC）的单细胞RNA测序（scRNA-seq）数据。相关研究结果发表在2022年4月8日的Science期刊上，论文标题为“Single-cell eQTL mapping identifies cell type–specific genetic control of autoimmune disease”。

单细胞eQTL定位与自身免疫性疾病风险位点共定位，图片来自Science, 2022, doi:10.1126/science.abf3041。

这些作者开发了一个细胞分类框架，并通过结合scRNA-seq数据和基因型数据，他们绘制了14种免疫细胞类型中每种类型的基因表达的遗传效应，并确定了26597个独立的顺式表达数量性状基因座（eQTL）。他们发现其中的大多数eQTL对基因表达的等位基因效应是细胞类型特异的。他们的结果在两个独立的队列中得到了重现，其中的一个队列由与他们的发现队列不同血统的个体组成。在所有的基因座上，他们的发现队列和重现队列在不同免疫细胞类型中的等位基因方向的一致性在72.2至98.1%之间。

利用每个基因座上的主要组织相容性复合体（MHC）区域以外的顶级相关eQTL单核苷酸多态性（eQTL single-nucleotide polymorphism, eSNP），这些作者确定了990个反式作用效应，其中的大多数（63.6%）是细胞类型特异性的。他们展示了eQTL如何在从初始状态（naïve state）过渡到记忆状态的B细胞中产生动态等位基因效应。总的来说，他们确定了在整个B细胞成熟过程中表达的1988对eSNP-eGene（gene with an eQTL, 具有eQTL的基因，缩写为eGene），其中333对eSNP-eGene在B细胞分化过程中具有统计学意义上的等位基因效应变化。在333对eSNP-eGene 中，66%仅从动态eQTL分析中发现，而在细胞类型中独立测试效应时没有观察到，这突显了研究决定免疫细胞功能的细胞状态特异性效应的重要性。他们研究了eQTL如何影响特定细胞类型中必需免疫基因的表达变化，并为复杂的自身免疫性疾病中细胞机制的既定假设提供了实验支持。

7.Science：新研究鉴定出5504个新的海洋RNA病毒，将已知的RNA病毒门类的数量增加一倍
doi:10.1126/science.abm5847

在一项新的研究中，一个国际研究团队通过分析海洋中的遗传物质，鉴定出数千种以前未知的RNA病毒，并使被认为存在的病毒门类（phyla）的数量增加了一倍。相关研究结果发表在2022年4月8日的Science期刊上，论文标题为“Cryptic and abundant marine viruses at the evolutionary origins of Earth’s RNA virome”。

这些作者共确定了5504个新的海洋RNA病毒，并将已知的RNA病毒门类的数量从5个增加到10个。对这些新的序列进行地理绘图显示，其中的两个新门类在广阔的海洋区域特别丰富，对这些新的序列进行地理绘图显示，其中两个新的门类在广阔的海洋地区特别丰富，在温带和热带水域（Taraviricota，以Tara Oceans expeditions命名）或北冰洋（Arctiviricota）有区域偏好。

这些作者认为，Taraviricota可能是科学家们长期以来一直在寻找的RNA病毒进化中的缺失一环，它连接了RNA病毒的两个不同的已知分支，这两个分支在病毒复制方式上存在差异。

8.Science：20多年来，科学家们终于解析出激酶JAK1的全长结构
doi:10.1126/science.abn8933

在一项新的研究中，研究人员确定了这种称为Janus激酶（Janus kinase, JAK）的信号蛋白的完整结构。相关研究结果于2022年3月10日在线发表在Science期刊上，论文标题为“Structure of a Janus kinase cytokine receptor complex reveals the basis for dimeric activation”。

颈椎病发病机制中相关JAK-STAT信号通路示意图，图片来自Front. Immunol., 21 October 2020, doi:10.3389/fimmu.2020.591176。

这项新的研究解析出一种名为JAK1的JAK的三维结构，并概述了它在细胞内发送信号的步骤。首先，受体蛋白附着在细胞膜上，从细胞的内外表面伸出来，就像牙签穿过三明治一样。然后，细胞内的JAK附着在这种受体蛋白上，等待信号输入。接下来，细胞因子靠近细胞的外部，每个细胞因子与两个受体蛋白结合。细胞因子就像一座桥梁，把两个受体蛋白拉得更近。这将JAK的活性端连接在一起，从而激活它们。就像火柴点火一样，JAK传递一个信号，告诉基因开启或关闭。

该结构还揭示了这种致癌突变是如何通过将JAK的两个部分粘在一起而使这个信息传递链短路的。这导致它的两个活性区域即使在没有外部细胞因子的情况下也保持开启状态，这会引发不受控制的活动，从而引发癌症。这些新的研究结果可以帮助科学家们设计出更好的药物，只靶向有缺陷的Janus激酶，让健康的Janus激酶继续发挥它们的正常功能。

9.Science：中美科学家发现TaCol-B5基因改变小麦穗结构，提高籽粒产量
doi:10.1126/science.abm0717

在小麦中，分蘖、穗和小穗的数量决定了籽粒产量的多少。从两个普通小麦品种的杂交开始，来自美国俄克拉荷马州立大学、中国科学院遗传与发育生物学研究所、中国农业科学院、浙江省农业科学院、江苏省农业科学院和南京农业大学的研究人员克隆了一个影响小麦植物结构从而影响了籽粒产量的基因：TaCOL-B5。外显子捕获分析在野生型二粒小麦（wild emmer wheat）中确定了这个相同的基因。然而，该基因在当代美国小麦品种中仍很罕见。在中国江苏省的田间试验中，转基因小麦中这个基因的显性等位基因的过度表达使籽粒产量增加了约12%。（生物谷 Bioon.com）