2022年3月4日Science期刊精华

2022年3月8日讯/生物谷BIOON/---本周又有一期新的Science期刊（2022年3月4日）发布，它有哪些精彩研究呢？让小编一一道来。

1.Science：杏仁基底外侧核中的多巴胺分泌促进大脑进入快速眼动睡眠状态
doi:10.1126/science.abl6618

在一项新的研究中，来自日本筑波大学和中国北京大学生命科学学院的研究人员发现杏仁基底外侧核（basolateral amygdala）中多巴胺的产生与快速眼动（rapid eye movement, REM）睡眠的启动之间存在关联。相关研究结果发表在2022年3月4日的Science期刊上，论文标题为“Rapid eye movement sleep is initiated by basolateral amygdala dopamine signaling in mice”。

杏仁基底外侧核中的去甲肾上腺素和5-羟色胺水平在non-REM睡眠至REM睡眠切换前开始下降。图片来自Science, 2022, doi:10.1126/science.abl6618。

先前的研究已表明，人们在打瞌睡时在两种睡眠类型之间切换：非快速眼动（non-REM）睡眠和快速眼动（REM）睡眠。目前还不清楚的是在这两种睡眠之间切换的机制。在这项新的研究中，这些作者在小鼠身上使用光遗传学操作来了解这一过程。

这些作者的研究工作涉及首先观察到杏仁基底外侧核中的细胞在睡眠周期的不同部分被激活。在此过程中，他们发现仅在大脑进入REM睡眠之前，大脑该区域中的多巴胺分泌增加。类似的变化在non-REM睡眠期间并没有发生。这就表明，多巴胺水平的增加与推动大脑进入REM睡眠状态有关。为了测试这一点，他们在小鼠处于non-REM睡眠状态时，人为地刺激大脑杏仁基底外侧核中的多巴胺产生，并发现这样做可推动大脑进入REM睡眠状态。

2.Science：揭示从头构建基因组的设计原则
doi:10.1126/science.abg0162

著名物理学家Richard Feynman有一句名言：“我不能创造的东西，我就不了解。”这句话不仅为Feynman的理论物理学方法提供了参考，也很好地描述了合成生物学家的动机，因为后者有兴趣从头开始构建基因组。通过设计和构建合成基因组，他们希望能更好地理解生命的密码。合成生物学一直是围绕着将DNA序列作为具有可复制功能的“部件（parts）”这一概念来组装的。如今，在一项新的研究中，通过成功的合作和对前沿工具的使用，欧洲分子生物学实验室（EMBL）的Lars M. Steinmetz团队对基因表达的变化有了重要的认识，这种变化是由这些DNA部件在基因组中的位置或背景造成的。相关研究结果发表在2022年3月4日的Science期刊上，论文标题为“Transcriptional neighborhoods regulate transcript isoform lengths and expression levels”。

通过低温电镜观察到两个转录因子(黄色和红色)与包裹在核小体中的DNA结合。图片来自Friedrich Miescher Institute for Biomedical Research。

论文共同第一作者、Steinmetz团队博士后研究员Amanda Hughes在解释激励这项研究的基本问题时说道，“在合成生物学中，你倾向于将事物分解成模块化的、‘即插即用’的部件。这些部件是启动子、编码区和终止子。我们想测试这些部件是否真地是‘即插即用’，在任何情况下都以同样的方式运作，或者它们的位置是否会影响其功能。我们想更好地了解基因的线性分布如何影响其功能，并确定可用于构建基因组的一般设计原则。”

这篇论文显示背景---特别是转录背景（transcriptional context）---改变了基因的RNA输出。通过使用长读直接RNA测序，他们能够观察到从合成酵母基因组中发生随机重排的DNA序列表达的全长RNA分子的起点、终点和数量的变化。基因的重新定位会影响其RNA输出的长度和丰度；然而，这些变化并不总是由新的相邻DNA序列来解释。似乎是发生在基因周围的转录，而不是它的序列本身，改变了它编码的RNA输出。

3.Science：构建出人类大脑血管的细胞图谱，确定一个新的免疫细胞群体与出血性中风相关联
doi:10.1126/science.abi7377

作为一种破坏性的中风形式，出血性中风占美国所有中风病例的10%至15%，主要是在年轻人中发生。大约一半的出血性中风是致命的。在一项新的研究中，来自美国加州大学旧金山分校的研究人员将形成人类大脑血管的所有细胞以及它们所在的位置和每个细胞中转录的基因编成目录。由此产生的大脑血管的细胞图谱描述了40多种以前未知的细胞类型，包括一个免疫细胞群体，这个免疫细胞群体与大脑血管细胞的沟通有助于出血性中风的发生。这些发现将成为全球范围内对大脑血管开展新研究的基础。相关研究结果于2022年1月27日在线发表在Science期刊上，论文标题为“A single-cell atlas of the normal and malformed human brain vasculature”。

小鼠全脑血管断层摄影图，图片来自Scientific Reports, 2018, doi:10.1038/s41598-018-30533-3。

论文共同第一作者、加州大学旧金山分校威尔神经科学研究所研究助理Ethan Winkler博士说，“这项研究为我们提供了开始开发新疗法的靶标图谱和清单，这可能会改变我们治疗许多脑血管疾病的方式。”

4.Science：一组保守性的转录因子调节植物侧根长出
doi:10.1126/science.abf4368

植物有一种有用的能力，可以根据需要生长出新的部分。Omary等人分析了控制番茄植物根部发育的发育程序。在地下，侧根从初生根（primary root）的中柱鞘组织（pericycle tissue）开始，并从主根柱分出。侧根也可以在地上发育，从地上的茎部开始。这些茎生根由与韧皮部相关的细胞生长出来，这些细胞具有类似干细胞的状态，由转录因子SHOOTBORNE ROOTLESS（SBRL）调节。虽然地下的侧根和地上的茎生根在细节上有所不同，但它们的发育有一套共同的转录因子来调节过渡的细胞状态。

5.Science：用新冠mRNA疫苗加强接种可增强中和作用
doi:10.1126/science.abn2688

针对SARS-CoV-2快速开发的疫苗挽救了许多生命。随着COVID-19大流行的继续，我们面临着疫苗诱导的免疫力减弱和部分逃避这种免疫力的病毒变体，因此存在着关于加强疫苗接种策略的问题。Kaku等人研究了用腺病毒载体疫苗ChAdOx1或用ChAdOx1进行初始接种、用mRNA疫苗加强接种诱导的免疫力。ChAdOx1表达的是野生型SARS-CoV-2刺突蛋白，而mRNA疫苗表达的是稳定在融合前构象的刺突蛋白。用mRNA疫苗加强接种，使反应集中在融合前构象的表位上，从而使中和活性总体上更高，对有关变体的中和广度也更大。

6.Science：解析出Omicron刺突蛋白三聚体与ACE2和抗Omicron抗体结合在一起时的三维结构
doi:10.1126/science.abn8863

SARS-CoV-2的Omicron变体很快就在全世界占据了主导地位，部分原因是它有能力逃避现有的免疫防御系统。Yin等人提供的结构数据显示，Omicron刺突蛋白如何保持甚至加强与人类ACE2受体的结合，而与大多数现有治疗性抗体的结合则被抑制。作为一种已经完成一期临床试验的抗体，JMB2002有效地中和了Omicron以及变体Alpha、Beta和Gamma，但没有中和Delta。

7.Science：构建出成年果蝇的单细胞图谱
doi:10.1126/science.abk2432

黑腹果蝇一直是发现基本生物机制和进化上保守的生物机制的首要模式生物。将单细胞测序的最新进展与强大的果蝇遗传工具相结合，为进一步的发现带来了巨大的希望。Li等人给出了整个成年果蝇的单细胞图谱，包括580,000个细胞和超过250个注释的细胞类型。来自头部和身体的细胞再现了15个解剖组织的细胞类型。深入的分析显示了罕见的细胞类型、细胞类型特异性的基因特征和性别二态性。这个图谱为果蝇界提供了一个资源，可以在单细胞分辨率下研究遗传扰动和疾病。

8.Science：高度高富集的BEND3阻止了二价基因在分化过程中的过早激活
doi:10.1126/science.abm0730

在胚胎干细胞（ESC）中首次观察到由表观遗传标志物H3K4me3和H3K27me3共同占据的二价基因（bivalent gene）。人们普遍认为，基因的二价性是分化过程中促进基因诱导动力学的启动机制。然而，通过剔除甲基转移酶Mll2而失去二价启动子的H3K4me3，对基因诱导动力学影响不大。Zhang等人报告说，蛋白BEND3是数百个二价启动子的最佳H3K27me3占据所必需的，在ESC中剔除Bend3基因会导致二价基因的过早激活和分化失败。这些作者提出BEND3介导的Polycomb稳定化是一种防止过早激活和保障分化过程的机制。（生物谷 Bioon.com）