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2017年3月3日Science期刊精华

来源:生物谷 2017-03-06 23:35


图片来自Science期刊。

2017年3月6日/生物谷BIOON/---本周又有一期新的Science期刊(2017年3月3日)发布,它有哪些精彩研究呢?让小编一一道来。

1.Science:重大突破!利用喷泉码让DNA高效地存储数据
doi:10.1126/science.aaj2038

在一项新的研究中,来自美国哥伦比亚大学和纽约基因组中心的两名研究人员证实一种为手机上的流式视频开发的算法能够通过将更多的信息压缩到DNA的四种碱基上,从而揭示出它的几乎全 部的存储潜力。他们证实这种技术也是非常可靠的。

论文通信作者Yaniv Erlich和他的同事Dina Zielinski选择6份文件,将它们进行编码到或写入DNA中。这6份文件为一份完整的计算机操作系统程序文件,一份1895年上映的法国电影“火车到 达拉西奥塔站(Arrival of a train at La Ciotat)”视频文件,一份价值50美元的亚马逊礼品卡图片文件,一份计算机病毒程序文件,一份先驱者镀金铝板(Pioneer plaque)图片文件, 一份由信息理论学家Claude Shannon在1948年发布的研究论文文件。

他们将这些文件压缩成一种主文件(master file),然后将这些数据分割成短的由0和1组成的二进制代码流。他们利用一种被称作喷泉码(fountain code)的容错纠错算法,随机地将这些 二进制代码流(好比是喷泉)包装成“水滴(droplet, 即数据包)”,将每个水滴中的0和1映射到DNA的四种碱基(A、G、C和T)上。这种算法删除已知会产生错误的碱基组合,并且加入一 种条形码到每个水滴中,从而有助随后重新组装这些文件。

他们总共产生一份由7.2万个DNA片段(每个片段长200个碱基)组成的数字清单,将这份清单以文本文件的形式发送给位于美国加州旧金山市的一家DNA合成创业公司Twist Bioscience。该公 司专门将数字数据转化为生物学数据。两周之后,他们接收到一个储存着一些DNA分子的小瓶。

为了找回他们的文件,他们利用现代的测序技术来读取这些DNA片段,随后利用软件将这种遗传密码转化回二进制代码流。这项研究报道,他们零错误地找回到他们的文件。

他们也证实通过利用聚合酶链式反应(PCR)扩增他们的DNA样品,他们的编码技术能够几乎无限制地拷贝这些文件,而且能够从这些拷贝副本,甚至经过多次拷贝的副本中,无差错地找回到 这些文件。

最终,这两名研究人员证实他们的编码策略可在1克DNA中包装215拍字节(1拍字节等于1千万亿字节)数据,比哈佛大学研究员George Church和欧洲生物信息研究所研究员Nick Goldman、 Ewan Birney开创性地开发的数据存储方法高出100倍。

DNA数据存储的能力在理论上受限于每种碱基所对应的2个二进制位,但是DNA本身的生物约束以及为随后重新组装和读取这些DNA片段时加入冗余信息的需求使得它的存储能力降低到每种碱基对 应1.8个二进制位(也称作1.8比特)。

Erlich和Zielinski的见解就是采用喷泉码技术可使得这种读取和编写过程更加高效。利用他们的DNA喷泉码技术,他们将平均1.6个二进制位包装到每种碱基中。这就比之前发布的方法多存储 至少60%的数据,接近于这个1.8比特限制。

2.Science:蛋白折叠远比想象中的更加复杂
doi:10.1126/science.aah7124; doi:10.1126/science.aam8370

在一项新的研究中,来自美国国家标准技术研究所和科罗拉多大学博尔德分校的研究人员比以前更加详细地测量蛋白折叠,从而揭示出这种折叠过程比之前所知的更加复杂。这些结果提示着 在此之前,对科学界而言,蛋白折叠在很大程度上仍然是未知的,这是因为这种折叠过程在如此短的时间内发生而且蛋白结构发生如此小的变化以至于常规的方法不能够检测出来。

这项研究是通过让单个蛋白解折叠揭示出很多之前未知的中间状态。比如,这些研究人员仅在细菌视紫红质(bacteriorhodopsin)的一部分中鉴定出14个中间状态,是之前观察到的7倍。细 菌视紫红质是细菌中的一种蛋白,能够将光能转化为化学能,并且被广泛地用于研究之中。

值得注意的是,细菌视紫红质是一种位于细菌细胞外部和内部之间的膜蛋白。相比于球状蛋白,膜蛋白具有更大的分子量而且更难研究。

正如这项研究所描述的那样,Perkins和他的同事们利用原子力显微镜(AFM)让细菌视紫红质伸展,并且以不同的牵引速度(以每秒多少纳米衡量)测量它的伸展(以纳米计算)。他们之前 开发出的短的软AFM探头使得这些新的测量成为可能。当蛋白解折叠时,软AFM探头能够快速地测量牵引力的突然变化(指示一种中间状态)。对这些探头的进一步优化允许他们快100倍地(1 微秒)探测细菌视紫红质,而且牵引力的测量精准度是之前研究的10倍。

这些研究人员发现这些中间状态不仅比期待中的更加众多,而且持续仅仅8微秒。这些发现解决了过去的实验数据和分子模拟之间长期存在的不一致,从而支持利用这些分子模拟进一步探测膜 蛋白折叠。

3.Science:开发出新的鸦片类物质缓解疼痛但不会产生副作用
doi:10.1126/science.aai8636

在一项新的研究中,来自德国柏林自由大学和柏林楚泽研究所(Zuse-Institut Berlin)的一个研究团队开发出一种新的鸦片类物质(opioid)。经证实,它会靶向大鼠中的疼痛区域,而且 不会导致副作用。他们还描述了这种新的鸦片类物质如何在大鼠体内很好地发挥效果,而且如何不会产生副作用。

在这项新的研究中,这些研究人员开发出一种他们命名为NFEPP的鸦片类物质:这种物质仅在身体的疼痛区域中发生效果,但不会影响身体的其他区域,因而阻止副作用产生。

这些研究人员在大鼠体内测试了这种新的鸦片类物质,结果发现它在缓解疼痛的效果上与经常开出的鸦片类物质芬太尼(fentanyl)相比拟,但是它并不导致便秘、成瘾、呼吸问题、心率增 加或血氧水平变化。简言之,它似乎表明这种新的鸦片类物质与当前使用的鸦片类物质一样缓解疼痛,但是没有任何明显的副作用。

在将这种新的鸦片类物质在人体中进行测试之前,还需在大鼠和其他的动物中测试它的效果和安全性,但是如果经证实它在人体中的效果与大鼠中的效果一样,那么它可能引发医学变革,也 将是在疼痛缓解和控制中取得的一项真正的突破。

4.Science:中国科学家发布古人类研究重大成果
doi:10.1126/science.aal2482

中科院古脊椎动物与古人类研究所,河南省文物考古研究院等处的研究人员针对2005-2016年在河南省发现的人类头骨碎片等多个化石,报道了新的古老型人类——许昌人。

他们采用形态观测、高清晰度CT扫描、手工及三维虚拟复原等手段,对许昌人头骨进行了拼接和复原,分别制作了1号和2号人头骨虚拟及实体的复原头骨及颅内膜。在此基础上,对许昌人头 骨形态特征、测量数据、脑形态、脑量、颅骨内部结构等特征进行了细致的研究并与世界范围内古人类化石及数据进行了对比。

他们发现距今10.5-12.5万年,中国境内生存着一群体质特征非常特殊的古老型人类——许昌人,其头骨呈现出更新世晚期人类、东亚中更新世直立人以及欧洲尼安德特人的混合特征。他们不 是早期现代人、不是尼安德特人、不是海德堡人、也不是直立人。他们是一种新的古老型人类,目前还无法将其归入任何已知的古老型类群之中。

5.Science:中科院何祖华研究组发表水稻广谱与持久抗稻瘟病研究最新成果
doi:10.1126/science.aai8898; doi:10.1126/science.aam9517

在一项新的研究中,来自中国科学院上海生命科学研究院植物生理生态研究所何祖华研究组与合作者完成了关于水稻持久广谱抗病的最新研究成果。他们成功克隆了持久广谱抗稻瘟病基因 Pigm,并揭示了水稻广谱抗病与产量平衡的表观调控新机制。副研究员邓一文和博士研究生翟科然、谢桢、杨冬勇为论文第一作者,何祖华研究员为论文通讯作者。

稻瘟病是由真菌Magnaporthe oryzae引起的,是水稻最重要病害之一,分布在全国乃至世界各稻区,可引起水稻大幅度减产,严重时减产40%~50%,甚至颗粒无收,因此我国水稻新品种审定 从2008年开始实行稻瘟病抗性的“一票否决”制。控制这个病害最经济有效的方法是发掘和利用新的广谱持久抗病资源进行选育广谱抗病新品种。截至目前,已有25个抗稻瘟病基因被克隆和 功能鉴定,但绝大部分抗谱窄,带这些基因的抗病品种一般推广3年后就被稻瘟病菌克服丧失抗性,在水稻抗病育种上的应用受到很大限制。另一方面,虽然采用抗病基因聚合方法可以提高水 稻抗病性,但会影响产量和品质,即存在抗病性代价问题。

为解决这个长期困扰植物病理和育种界的瓶颈问题,植生生态所何祖华团队与育种家合作,从2002年开始,广泛筛选抗瘟种质,从起源于我国农家品种的育种材料中鉴定了一个广谱持久抗瘟 性新位点Pigm。他们采用分子遗传学、分子生物学、生物化学及细胞生物学的手段系统地解析了这个新位点的持久抗病机制。研究发现,Pigm是一个包含多个NBS-LRR类抗病基因的基因簇。其 中只有2个具有功能的蛋白PigmR和PigmS。PigmR在水稻的叶、茎秆、穗等器官组成型的表达,可以自身互作形成同源二聚体,发挥广谱抗病功能,但PigmR导致水稻千粒重降低,产量下降。与 PigmR相反,PigmS受到表观遗传的调控,仅在水稻的花粉中特异高表达,在叶片、茎秆等病原菌侵染的组织部位表达量很低,但可以提高水稻的结实率,抵消PigmR对产量的影响。PigmS可以 与PigmR竞争形成异源二聚体抑制PigmR介导的广谱抗病性。但由于PigmS低水平的表达,为病原菌提供了一个“避难所”,病原菌的进化选择压力变小,减缓了病原菌对PigmR的致病性进化, 因此Pigm介导的抗病具有持久性。利用Pigm改良选育的品种既有广谱持久抗病性又不影响最终的产量。这个基因已经被国内30多家种子公司和育种单位应用于水稻抗病分子育种,已经有新品 种参加区试和品种审定。

6.Science:真核生物电压门控钠离子通道的近原子分辨率三维结构
doi:10.1126/science.aal4326

2月10日,清华大学医学院颜宁研究组在《科学》(Science)在线发表题为《真核生物电压门控钠离子通道的近原子分辨率三维结构》(Structure of a eukaryotic voltage-gated sodium channel at near atomic resolution)的研究长文,在世界上首次报道了真核生物电压门控钠离子通道(以下简称“钠通道”)的3.8埃分辨率的冷冻电镜结构,为理解其作用机制和相关疾 病致病机理奠定了基础。

清华大学生命学院五年级博士生申怀宗、医学院副研究员周强、医学院博士后潘孝敬、生命学院二年级博士生李张强和生命学院五年级博士生吴建平为该文章共同第一作者。通讯作者是清华 大学医学院拜耳讲席教授以及霍华德休斯医学研究院国际青年科学家颜宁。

7.Science:揭示清醒活跃期间新皮质树突抑制调节机制
doi:10.1126/science.aag2599

表达生长激素抑制素(Somatostatin)的中间神经元是大脑中一群重要的抑制性神经元。它们靶向和控制锥体细胞的树突。近期,已证实这些中间神经元在感觉运动整合、强化编码和选择性注意力中发挥着作用。William Muñoz等人利用通道视紫红质辅助膜片(channelrhodopsin-assisted patching)在体内研究了新皮质树突抑制。他们能够在积极活动的小鼠体内记录所有新皮质中的表达生长激素抑制素的中间神经元的活性。这些结果为理解在积极活动期间新皮质中发生的树突抑制变化提供一种框架。这种框架与之前通过记录新皮质表面层中的中间神经元获得的看法截然不同。

8.Science:构建出笼形物胶体晶体
doi:10.1126/science.aal3919; doi:10.1126/science.aam7927

笼形物(clathrate)含有伸出的孔结构。这些孔结构能够捕获其他的分子。Haixin Lin等人构建出笼形物的胶体类似物。在这种胶体类似物中,经过DNA分子功能化处理的双锥体形金纳米颗粒组装成多面形簇集体,从而产生开孔结构。这些笼形物胶体晶体表现出非同寻常的结构复杂性和显著地拓宽DNA启发方法的范围和应用潜力。(生物谷 Bioon.com)

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