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2017年4月Science期刊不得不看的亮点研究

来源:生物谷 2017-04-29 23:59

2017年4月29日/生物谷BIOON/---4月份即将结束了,4月份Science期刊又有哪些亮点研究值得学习呢?小编对此进行了整理,与各位分享。

1.Science:基于CRISPR/Cas13a的诊断平台可检测任何RNA分子,灵敏度增加一百万倍
doi:10.1126/science.aam9321
在一项新的研究中,来自美国哈佛大学-麻省理工学院布罗德研究所(以下简称布罗德研究所)、麻省理工学院麦戈文脑研究所、麻省理工学院医学工程与科学研究所、哈佛大学怀斯生物启发工程研究所(Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering)的研究人员将一种靶向RNA(而不是DNA)的CRISPR相关酶(即Cas13a)改造为一种快速的、廉价的和高度灵敏的诊断工具,从而有潜力引发研究和全球公共卫生变革。相关研究结果于2017年4月13日在线发表在Science期刊上,论文标题为“Nucleic acid detection with CRISPR-Cas13a/C2c2”。

在这项研究中,布罗德研究所成员Feng Zhang、Jim Collins、Deb Hung、Aviv Regev和Pardis Sabeti描述了这种靶向RNA的CRISPR相关酶如何被用作一种高度灵敏的检测器---能够指示最少至一个靶RNA或DNA分子的存在。论文第一作者Omar Abudayyeh和Jonathan Gootenberg将这种新的工具称为“SHERLOCK(Specific High-sensitivity Enzymatic Reporter unLOCKing)”;这种技术可能有朝一日被用来应对病毒性和细菌性流行病爆发、监控抗生素耐药性和检测癌症。

在2016年6月,Zhang和他的同事们首次描述了这种靶向RNA的CRISPR相关酶(之前被称作C2c2,如今被称作Cas13a),而且能够经编程后切割细菌细胞中的特定RNA序列(Science, Published online:02 Jun 2016, doi:10.1126/science.aaf5573)。不同于靶向DNA的CRISPR相关酶(如Cas9和Cpf1),Cas13a能够在切割它的靶RNA之后保持活性,而且可能表现出不加区别的切割活性,而且在一系列被称作“附带切割(collateral cleavage)”的作用当中,继续切割其他的非靶RNA。在其发表的论文和申请的专利中,该团队描述了这个CRISPR系统的广泛生物技术应用,包括将它的RNA切割和附带切割活性用于基础研究、诊断和治疗。

在这项新的研究中,这种SHERLOCK方法的灵敏度增加了一百万倍。这种增加是由于Zhang团队和布罗德研究所成员Jim Collins合作开展研究取得的结果。Collins之前一直在研究寨卡病毒的诊断方法(Cell, 19 May 2016, doi:10.1016/j.cell.2016.04.059)。在2014年,Collins和他在怀斯生物启发工程研究所的团队开发出一种快速的基于合成纸的埃博拉病毒测试方法,该方法所使用的试剂能够在室温下运输和储存。他们随后对这种测试系统进行修改来检测寨卡病毒,并且证实他们能够通过加入低水平热量来提高RNA在样品中的浓度来提高这种系统的检测灵敏度。 通过一起合作,Zhang团队和Collins团队能够采用一种不同的依赖体温的扩增过程来提高他们的测试样品中的DNA或RNA水平。一旦这种水平增加,他们利用第二个扩增步骤将DNA转化为RNA,从而使得他们将这种靶向RNA 的CRISPR工具的灵敏度增加了一百万倍,而且这种工具能够在几乎任何环境下使用。

另外,这种CRISPR工具还包括一种RNA报告分子。当该报告分子被切割时,它会发出荧光。当Cas13a检测到靶RNA序列时,它的无区分的RNA酶活性(即附带切割活性)也会切割这种RNA报告分子,从而释放可检测到的荧光信号。

2.Science:发现一类新的巨病毒携带着有史以来最多的蛋白翻译相关基因
doi:10.1126/science.aal4657; doi:10.1126/science.356.6333.15

病毒在地球上广泛地存在。据估计,它们的数量是1031,是该星球上细菌数量的10倍,而且这一数字比银河系中的恒星数量还要多。巨病毒(giant virus)的 特征具有异乎寻常大的基因组和病毒颗粒(包围着病毒的遗传物质)。它们能够编码几种潜在地参与蛋白生物合成的基因,这一独特的特征已让人们针对它们的起源提出不同的假说。不过, 在发现一组新的具有比之前已知的任何其他病毒更加完整的翻译复合体基因的巨病毒之后,来自美国能源部联合基因组研究所(JGI)、国家卫生研究院(NIH)、加州理工学院(CalTech)和 奥地利维也纳大学的研究人员认为这组巨病毒(被称作Klosneuvirus)显著地增加了我们对病毒进化的理解。相关研究结果发表在2017年4月7日的Science期刊上,论文标题为“Giant viruses with an expanded complement of translation system components”。

据预测,Klosneuvirus的宿主是原生生物(单细胞真核微生物),尽管迄今为止它们对原生生物的直接影响仍不清楚,但是它们被认为对这些有助调节地球上的生物地质化学循环的原生生物 发挥着重大的影响。

科学家们针对巨病毒起源提出两种进化假设。一种假设指出巨病毒由一种古老的细胞( 可能是来自灭绝的生物第四域的一种细胞,现有的生物分类是三域系统:古生菌、细菌和真核生物)进化而来。另一种假设指出巨病毒起源自较小的病毒。

乍看之下,巨病毒Klosneuvirus中的这套“细胞”基因似乎具有一种相同的起源,但是当详细地分析这些基因时,这些研究人员观察到它们来自不同的宿主。从他们构建出的进化树来看,他们注意到这些基因是这组巨病毒在它们的不同进化阶段逐渐获得的。这些来自Klosneuvirus的基因含有19种必需氨基酸(必需氨基酸总共有20种)特异性的氨酰-tRNA酶,20多种tRNA、一系列翻译因子和tRNA修饰酶。这对所有病毒(包括之前已知的巨病毒)而言,这是一项史无前例的发现。

他们发现这组Klosneuvirus巨病毒来自一种新的病毒家族。巨病毒Mimivirus也属于这个病毒家族。

3.Science:当食物稀缺时,细菌交替获得进食时间
doi:10.1126/science.aah4204
尽管几十年来,不同所有者在异国目的地分割度假公寓在房地产领域一直比较流行,但是,在一项新的研究中,来自美国加州大学圣地亚哥分校和西班牙庞培法布拉大学的研究人员发现细菌菌群几百万年以来一直都在使用类似的策略。相关研究人员于2017年4月6日在线发表在Science期刊上,论文标题为“Coupling between distant biofilms and emergence of nutrient time-sharing”。论文通信作者为加州大学圣地亚哥分校分子生物学家Gürol Süel。

在这项研究中,这些研究人员想要知道当食物变得稀缺时,竞争性的细菌菌群可能会做些什么。他们发现当面临着有限营养物时,细菌将会采取一种优雅的分时(timesharing)策略:不同的细菌菌群交替获得进食时间从而使得进食效率最大化。

4.Science:利用DART方法运送药物到特定的神经元 有望治疗帕金森病
doi:10.1126/science.aaj2161
药物是研究神经元之间连接的工具,而且继续成为神经系统疾病的主流疗法。但是在这两种情形下,一种主要的不足之处在于药物影响所有类型的神经元,这就使得研究突触中的细胞受体如何在完整的大脑中发挥作用和对它们的操作如何能够导致临床益处和副作用复杂化。突触是神经元之间在功能上发生联系的部位,也是信息传递的关键部位。

一种被称作DART(Drugs Acutely Restricted by Tethering)的新方法可能克服了这些限制。DART是由来自美国杜克大学和霍华德-休斯医学研究所的研究人员开发出来的。它首次让研究人员有机会测试当一种药物专门靶向一种细胞类型时会发生什么。

在首次研究中,DART揭示出帕金森病模式小鼠中的行动困难如何由AMPA受体(AMPA receptor, AMPAR)控制。AMPAR是一种突触蛋白,能够让神经元接受大脑中其他神经元快速传来的信号。这些结果揭示出为何近期一种AMPAR阻断药物的临床试验失败了,并且提供一种新方法使用这种药物。相关研究结果于2017年4月7日在线发表在Science期刊上,论文标题为“Deconstructing behavioral neuropharmacology with cellular specificity”。

DART的工作机制是对一种特定类型的细胞进行基因编程,使之表达来自细菌的一种惰性的酶HaloTag。这种酶除了表达在细胞表面上什么事情都不会做。这并没有什么问题,然而,当研究人员注射一种AMPAR阻断药物时,事情就不一样了:HaloTag捕获这种药物并将它附着在特定细胞的表面上。

研究人员注射如此低剂量的药物以至于它不会影响其他的细胞。不过,鉴于这种运送如此高效,这种药物被酶HaloTag标记的细胞表面所捕获,并且经过几分钟的堆积,它的浓度比其他任何地方高100~1000倍。

在利用帕金森病模式小鼠开展的实验中,Tadross和同事们将这种HaloTag附着到在基底神经节(大脑中复杂运动控制的区域)中发现的两种神经元上。一种神经元是D1神经元,被认为发送“运动”指令。另一种神经元是D2神经元,被认为发挥着相反的作用,提供阻止运动的指令。

利用DART方法,Tadross将一种AMPAR阻断药物仅运送到D1神经元、仅运送到D2神经元,或者同时运送到D1神经元和D2神经元。当同时运送到这两种神经元时,这种药物仅改善运动功能障碍的几种因素中的一种,这真实反映了最近的一项人体临床试验取得的乏善可陈的结果。Tadross团队随后发现将这种药物仅运送到D1神经元中不会产生任何效果。然而,令人吃惊的是,当将这种药物仅运送到D2神经元中时,这些帕金森病模式小鼠的运动变得更加频繁和更加快速,换言之,更加接近于正常小鼠。

尽管这种药物阻止神经元接受某些传来的信号,但是它并不完全关闭这些神经元。这种细微差别对一小群具有两种突出放电形式的D2神经元是特别重要的。利用DART方法,运动功能障碍的这些因素能够独自地加以操纵,从而提供首个证据证实帕金森病的运动功能障碍是由D2神经元中基于AMPAR的放电因素引起的。

5.Science:重大突破!利单细胞测序揭示免疫细胞衰老之谜
doi:10.1126/science.aah4115
在一项新的研究中,来自欧洲生物信息研究所(EMBL-EBI)、英国剑桥大学、韦尔科姆基金会桑格研究所和英国癌症研究所(CRUK-CI)的研究人员针对免疫系统为何随着年龄的增加而减弱存在的长期争论提出新的认识。他们的发现表明相比于年轻组织中的免疫细胞,衰老组织中的免疫细胞缺乏协作,并且表现出更多的基因表达变化。相关研究结果发表在2017年3月31日的Science期刊上。

我们所有人经历与衰老相伴随的功能逐渐下降,但是是什么精确地导致这种下降?它为何在体内不同部分以不同的速率发生?为了寻找答案,科学家们需要在分子水平上揭示每个组织中的所有衰老机制。当前的这项研究着重关注免疫组织,特别是CD4+ T细胞。

随着免疫系统衰老,因迄今为止还不清楚的原因,它对感染作出的免疫反应减弱了。科学家之间的一个长期的争论围绕着两个关键性的假设:这种功能性的减弱是细胞性能减少导致的;这种功能性的减弱归因于细胞间缺乏协作。

为了解决这个争论,科学家们研究了很多不同的细胞类型,分析了“平均的”基因表达谱。当前的这项研究利用高分辨率的单细胞测序技术针对细胞间差异与衰老之间如何相关联提供新的认识。这些研究人员对年轻小鼠和年老小鼠体内的初始CD4+ T细胞和记忆CD4+ T细胞在激活状态和未激活状态下的RNA进行测序。

他们的发现明显地表明协作缺乏是T细胞衰老导致的免疫性能受损的关键因素。

之前的研究已证实在年轻的动物体内,免疫激活导致严格调控的基因表达。这项研究进一步揭示出这种激活导致细胞间差异减少。衰老增加两个小鼠品种群体之间的基因表达异质性和它们的不同免疫细胞类型之间的基因表达异质性。这提示着增加的细胞间转录差异可能是大多数哺乳动物组织的一种衰老特征。

6.Science:为何每个人的长相都不一样?看科学家如何解释
doi:10.1126/science.aal2913

然在每个人体内控制面容形成的基因都大致相同,但每一张面孔都是独一无二的。Filippo Rijli和他的研究团队发现了能够调节面部形态形成的表观遗传学机制。在早期发育过程中,形成不同面部结构的神经嵴细胞能够维持染色体的可塑性,所有参与其中的基因都处于准备状态来应答局部信号。一旦细胞暴露于环境信号,神经嵴细胞的基因就会从准备状态变成活跃状态,诱导位置特异性的转录程序,来形成下巴、颧骨和额头等结构。

到目前为止,虽然科学家们已经知道神经嵴细胞时刻准备应答局部信号,诱导位置特异性的转录程序,但还不清楚这些细胞如何通过迁移维持可塑性。

Filippo Rijli和他的研究组已经解释了对染色体结构的表观遗传调控如何影响了这一过程。在这项发表在国际学术期刊Science上的新研究中,他们描述了一种特定的染色质结构,神经嵴细胞会在转录水平时刻准备直到迁移结束,因此维持形成各种不同面部元件的潜能,与它们最终的位置无关。

研究人员发现一旦神经嵴细胞接收到特定的环境信号就会失去抑制性的H3K27me3标记,开始位置特异性转录程序。除此之外,研究人员还发现染色质状态受到Ezh2的调控,Ezh2能够向H3K27上添加甲基基团。

7.Science:“记忆碎片”是真的吗?
doi:10.1126/science.aam6808
半个多世纪以来,神经学家们一直以为长期记忆是由于多个短期记忆储存起来形成的。而最近一项对记忆形成的神经回路的研究则表明这一说法有可能是错的,因为两种类型的记忆(长期与短期)能够同时产生。

这项研究是由来自MIT的研究者们做出。他们参考了此前标记特殊“记忆”细胞的手段,并更进一步地强制性使小鼠对特定的记忆作出反应,并且断开了长期与短期记忆的连接。

为了研究小鼠记忆形成的机制,研究者们用这一方法标记了海马区的记忆类细胞,已经另外一类对恐惧反应有调控作用的区域-杏仁基底外侧核。之后,研究者们给小鼠施加一个“恐惧”的刺激,之后,研究者们发现小鼠已经开始形成相关的记忆网络,而且同时发生在海马区以及前皮质层区域。

两周之后,研究者们再次给小鼠以相同的刺激。结果显示,虽然能够通过光线刺激强制性地引导小鼠海马区的细胞活化,但小鼠本身已经不依赖海马区细胞进行记忆的储存,而负责“长期记忆”的前皮质层区域则能够被天然地激活。相关研究发表在《science》杂志上。

8.Science:科学家开发出效率明显优于其它方法的新型全基因组扩增方法
doi:10.1126/science.aak9787
近日,刊登在国际杂志Science上的一项研究报告中,来自哈佛大学的研究人员通过研究开发出了一种新型的全基因组扩增方法,这种方法优于当前使用的其它基因组扩增方法;在这项研究报告中,研究者对这项技术进行了描述,同时阐明了这项技术如何用于测定人类细胞暴露紫外辐射后所出现的单核苷酸改变。

随着科学家们不断完全深入理解机体的基因组,新型的研究工具也在不断诞生,其中一种研究就是探究人类机体近乎一样的细胞之间的差异,比如胚胎细胞等,每个细胞都有自身独特的基因组,甚至在相同的有机体中都是这种情况;此前研究中,研究者开发出了能够放大细胞间差异的工具,这不仅能够帮助更好地理解基因组工作的原理,还具有一定的实际应用;其中研究者就开发了一种名为MALBAC的工具来研究并且测定单一细胞间的遗传改变,其能够在体外受精中对胚胎进行筛查,但研究者指出,这种技术往往也受限于等位基因的丢失,而这常常会限制他们了解单核苷酸突变的过程。

这项研究中,研究人员发现了一种新方法来改善MALBAC工具,这种改进版的工具名为LIANTI(Linear Amplification via Transposon Insertion,通过插入转座子来实现线性扩增),该工具有千个碱基的分辨率。LIANTI能够通过利用研究者所设计的转座子来破碎细胞遗传物质,转座子就是一种特殊的DNA片段,其能够改变在基因组中的位点,这种新型工具有19个碱基对长的转座子结合位点以及单链的T7启动子环状结构,转座子能够为该工具携带特殊的其中自,而启动子就能够用来对下游的DNA进行扩增,从而产生出用于测序的文库,早期研究结果表明,这种工具优于目前研究者所使用的工具。

9.Science重磅!科学家发现了5种新型血液免疫细胞!
doi:10.1126/science.aah4573

科学家们已经发现了人免疫系统中的几种新型免疫细胞。这些细胞是被称作树突状细胞和单核细胞的血液白细胞中的新亚群。研究人员发现了两种新的树突状细胞亚群及两种新的单核细胞亚群,他们还发现了一种新的树突状细胞前体细胞,相关研究成果近日发表在Science上。

来自Broad及其他机构的研究人员使用一种叫做单细胞基因组学的技术分析了人血细胞的基因表达模式。此前,不同的免疫细胞已经被研究过,并根据它们表面的蛋白进行分类。这项新技术则更强大,能够揭示旧技术无法发现的罕见细胞类型。

树突状细胞表面会呈递一种叫做抗原的分子。这些分子会被T细胞识别,随后T细胞会启动免疫反应。而单核细胞是最大的血液白细胞,能够发育成为负责消化细胞碎片的巨噬细胞。

10.Science:重磅!科学家利用干细胞首次开发出“人工小鼠胚胎”
doi:10.1126/science.aal1810; doi:10.1126/science.aan1495
近日,来自剑桥大学的科学家利用两种类型的干细胞以及3D支架,成功在培养基中制造出了一种类似小鼠胚胎的结构,相关研究刊登于国际杂志Science上。理解胚胎发育的早期阶段一直是科 学家们非常感兴趣的领域,因为其能够帮助解释为何有超过三分之二的人类妊娠会发生失败。

此前研究人员仅利用胚胎干细胞来尝试制造出胚胎样结构只取得了有限的成功,这是因为早期的胚胎发育需要不同类型的细胞之间互相协调完成;然而在本文研究中,研究人员利用遗传修饰 化的小鼠ESCs和TSCs,结合名为细胞外基质的3D结构支架,开发出了一种能够进行自我组装的结构,同时这种结构的发育以及架构非常类似于自然胚胎的状态。研究者Magdalena Zernicka- Goetz教授说道,胚胎和胚外细胞会开始彼此交流,并且组装成为和胚胎非常相似的结构,在研究中我们发现两种类型的干细胞之间存在明显的交流,从某种意义上来讲,这些细胞能够告诉彼 此胚胎能够开始发育的地方。

不同类型的干细胞之间的相互作用对于胚胎发育非常重要,但需要指出的是,本文研究中研究者发现两类干细胞(ESCs和TSCs)可以真正地互相引导,如果没有这种伙伴关系,胚胎形状的正 确发育、形成以及关键生物学机制的活性或许就不会适当地发生。将这种“人工胚胎”比喻为一种正常发育的胚胎结构,研究者就能够发现这种“人工胚胎”的发育遵循着正常的模式来进行 自我组装。

Zernicka-Goetz说道,他们所开发的技术能够促进胚泡在体外植入阶段进行发育,从而就能够帮助研究人员首次对受精后13天的人类胚胎发育的关键阶段进行分析,而且这种最新的发育阶段 能够帮助克服人类胚胎研究的主要屏障,即胚胎的短缺,当前研究人员主要是通过人工受精门诊所提供的卵细胞受精后的胚胎进行研究。

研究者Andrew Chisholm表示,我们在培养基中首次开发出了人工小鼠胚胎,这对于我们研究哺乳动物发育的最早期阶段或许提供了一定的研究材料,进行基础性研究对于我们解决很多研究难 题,阐明人类发育的关键过程,以及理解婴儿在母体环境中发生缺陷甚至死亡的原因非常重要。

11.Science:自学习式人工智能可协助预测心脏病发作
doi:10.1126/science.aal1058
即使医生有很多工具可以预测患者的健康,但是他们仍会告诉你这些工具远远不能应对人体的复杂性。而心脏病发作就特别难以预测。现在,科学家已经表明,自我学习式计算机可比标准医疗指导方针实现更好的性能,显着提高预测率。如果推广开来,这项新方法每年可挽救数千甚至数百万的生命。

在一项新研究中,Weng 和其同事对比了 ACC/AHA 指导方针和 4 个机器学习算法:随机森林(random forest)、logistic 回归(logistic regression)、梯度提升(gradient boosting)以及神经网络(neural networks)。为了在没有人类指示的情况下得出预测工具,所有这 4 项技术分析了大量数据,被分析的数据来自英国 378256 名患者的电子医疗记录,目标是在与心血管疾病有关的记录之中找出发病模式。

首先,人工智能(AI)算法必须自我训练。模型使用 78% 的数据(约 295267 条记录)来搜索模式并构建它们自己的内部"指导方针〃。然后使用剩余的记录对自己进行测试。在使用 2005 年的可用记录数据后,系统能预测在未来十年内哪些患者会首次发生心脑血管疾病,然后再使用 2015 年的记录检查预测结果。与 ACC/AHA 指导方针不同,机器学习方法可考虑超过 22 个的特征,包括民族、关节炎和肾脏疾病等。

所有 4 种人工智能方法的表现都优于 ACC/AHA 指导方针。我们使用 AUC(其中 1.0 表示 100% 的精确度)的统计量,ACC/AHA 指导方针达到 0.728,而 4 种人工智能方法的精确度在 0.745 到 0.764 之间,Weng 的团队这个月在 PLOS ONE 报告了这一成果。最好的神经网络方法的精确与测量不仅比 ACC/AHA 指导方针多出 7.6%,同时还减少了 1.6% 的错误预警。在大约有 83000 条记录的测试样本中,这相当于多挽救了 355 名额外的患者。Weng 说,这是因为预警通常就会导致患者通过服用降低胆固醇的药物或改变饮食进行预防。(生物谷 Bioon.com)

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