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2017年10月Science期刊不得不看的亮点研究

来源:本站原创 2017-10-31 23:15

2017年10月31日/生物谷BIOON/---10月份即将结束了,10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.重磅!Nature和Science同日打擂台发表新型DNA/RNA碱基编辑器,可校正点突变
doi:10.1126/science.aaq0180

图片来自 C. BICKEL/SCIENCE; (DATA) D. B. T. COX ET AL., SCIENCE 358, 6362, 2017;J. DOUDNA AND E. CHARPENTIER, SCIENCE 346, 6213, 2014; GAUDELLI ET AL., NATURE 551, 7677, 2017。

自从5年前CRISPR热潮开始以来,科学家们就竞相开发这种强大工具的更加全面或高效的版本,从而能够极大地简化DNA编辑。本周发表在Science期刊和Nature期刊上的两项研究进一步扩大了CRISPR的使用范围,开发出一种更加微妙的被称作碱基编辑(base editing)的方法来修复遗传物质:一项研究扩展了一种编辑DNA的策略,而另一项研究通过对RNA进行碱基编辑而开辟了新的领域。

大量借用CRISPR工具包的碱基编辑系统很容易在非分裂细胞(nondividing cells)中实现碱基编辑。DNA具有4个核苷酸碱基:A、C、T和G,碱基编辑会将一个碱基改变为另一个碱基。在Liu的2016年那项研究中,他的团队将gRNA与一个“死的”Cas9(dCas9)融合在一起,dCas9不能够切割整个DNA双螺旋,但是仍然能够在正确的位点上让它解链。这些研究人员将酶APOBEC1附着到gRNA-dCas9上,这会触发一系列化学反应,最终导致碱基C改变为碱基T。DNA的碱基配对规则控制着随后的碱基变化。这种配对规则规定一条DNA链上的T与另一条DNA链上的A配对。dCas9经进一步修饰后在未编辑的DNA链上产生切口,从而激活细胞的DNA修复机制,将初始与碱基C配对的碱基G转化为与这个新产生的T配对的A。

这第一个DNA碱基编辑器并不能够解决与人类疾病相关的最为常见的点突变(大约占一半):在应当为G•C的地方存在着A•T。如今,来自Liu团队的这个新的编辑器能够修复这种点突变。该团队再次将gRNA与dCas9融合在一起,但是已知没有一种能够将A转化为G的酶。因此,他们利用来自大肠杆菌的酶TadA开出一种新型酶。这种新型酶将A转化为一种被称作肌苷(inosine, I)的碱基。随后不论是一种细胞修复机制,还是DNA自我复制过程,都会将I变成G。美国哈佛大学CRISPR研究员George Church说,“在这项研究中,重要的事情是对TadA酶进行基因改造让它具备某种非天然的功能。我佩服他们。”

张锋团队通过将gRNA与一种不同的没有切割活性的核酸酶dCas13和一种将RNA中的A转化为I的天然性酶融合在一起而构建出一种RNA碱基编辑器。与DNA中不同的是,这不会导致随后的碱基变化。含I的RNA仅像那个位点上存在一个G那样发挥作用。

2.Science:新方法制造有潜力治疗癌症和HIV的苔藓虫素,产率提高上万倍
doi:10.1126/science.aan7969; doi:10.1126/science.aao5346


如今,在一项新的研究中,来自美国斯坦福大学的研究人员在实验室中发现一种更简单、更高效的方法来制造这种需求量日益增加的化合物。他们新合成的药物将足以继续开展临床试验来测试它作为一种癌症免疫治疗药物的疗效,以及治疗阿尔茨海默病和HIV的疗效。相关研究结果发表在2017年10月13日的Science期刊上,论文标题为“Scalable synthesis of bryostatin 1 and analogs, adjuvant leads against latent HIV”。

苔藓虫素的故事始于1968年,当时在墨西哥湾工作的一名海洋生物学家收集了大量的海洋生物,并将它们送往美国国家癌症研究所(NCI)进行分析。作为其中的一种生物,总合草苔虫(Bugula neritina)是一种以污染海洋环境而闻名的害虫,而且有望成为一种抗癌试剂。15年后,科学家们报道了这种活性成分的结构,他们以这种海洋动物的共同名字---棕色苔藓虫,将其命名为苔藓虫素1。不幸的是,苔藓虫素1是很难获得的。当这些NCI科学家们回去清理了14吨总合草苔虫时,他们成功地提取了仅18克苔藓虫素。

Wender实验室具有几十年研究苔藓虫素类似物的经验,在两年的共同努力下开发出一种步骤更少的仅需29个步骤的合成方法,产率为4.8%,合成效率比从总合草苔虫中提取苔藓虫素高出上万倍,而且明显地比之前的合成方法更加简单和更加高效。

3.Science:重大发现!揭示反安慰剂效应产生机制
doi:10.1126/science.aan1221; doi:10.1126/science.aap8488

一项新的研究表明,昂贵的药物可能让人们更容易感知它的副作用,而这种现象并不只是“存在于他们的头脑中”。

这项研究深入探究了这种所谓的“反安慰剂效应(nocebo effect)”。它是众所周知的安慰剂效应(placebo effect)的相反形式。安慰剂效应指的是在接受治疗后人们因期待有好处而感觉变好一些。对反安慰剂效应而言,患者对治疗副作用的担忧让他们感到不舒服。

在这项研究中,研究人员发现,当被告知假药价格昂贵时,人们更可能报道它的令人痛苦的副作用。但是这并不是人们“编造”的东西。通过大脑成像,这些研究人员将这种现象追踪到大脑和脊髓中的特定活动模式。相关研究结果发表在2017年10月6日的Science期刊上,论文标题为“Interactions between brain and spinal cord mediate value effects in nocebo hyperalgesia”。

就这项研究而言,Tinnermann团队招募了49名健康志愿者,并随机地分配他们测试两种止痒“药膏(medical creams)”中的一种。

事实上,这两种药膏都是相同的,而且都没有活性成分。然而,这两组志愿者被告知这两种产品具有让他们对疼痛更加敏感的副作用。这两种假药膏仅有一种明显的区别:一种是用昂贵的价格标签来包装的;另一种是廉价的。

当这些志愿者将药膏涂于前臂后,这些研究人员让他们接受一项标准测试来测量他们对热量诱导性疼痛的耐受性。

结果证实使用昂贵药膏的那些人在测试期间对疼痛更加敏感。平均而言,他们的疼痛评分停留在15分左右,位于“轻度”疼痛范围内,然而,那些使用廉价药膏的人几乎没有表现出任何不适感。

利用功能性MRI大脑扫描,Tinnermann团队在对昂贵药膏产生反安慰剂效应的那些人中发现了特定的神经系统活动模式。Tinnermann说,这其中就包括在某些大脑结构和脊髓之间的“沟通”变化。

4.Science:重大进展!揭示生发中心的B细胞命运抉择机制
doi:10.1126/science.aao2602; doi:10.1126/science.aap8728


生发中心(germinal centers, GC)是短暂存在的微观结构,它们在免疫反应期间形成淋巴器官。它们是B细胞克隆增殖和亲和力成熟(affinity maturation)的场所。亲和力成熟这个过程会导致高亲和力抗体产生。生发中心是高度动态的,含有活化B细胞、特殊的滤泡辅助性T细胞(TFH)和捕获抗原的滤泡树突细胞。

生发中心被分为两个功能不同的区域:暗区(dark zone, DZ)和明区(light zone, LZ)。暗区是发生快速的细胞分裂和随机的抗体基因突变的地方,其中抗体基因随机突变是由活化诱导的胞苷脱氨酶(activation-induced cytidine deaminase, AID)引发的。这种突变过程导致大量密切相关的携带着不同抗原结合性质的受体的B细胞堆积。一旦停止细胞分裂,暗区B细胞迁移到明区,在那里,这些新产生的B细胞受体(BCR)接受考验:在生发中心中携带着相对较高亲和力受体的B细胞捕获和加工更多的抗原,并且通过与TFH细胞相互作用,经历正向筛选(positive selection)。这些经历正向筛选的明区B细胞返回到暗区,在那里,它们经历进一步的分裂和突变周期。与此同时,少量记忆B细胞和分泌抗体的浆细胞离开生发中心。总之,这些过程为亲和力成熟提供机制上的基础。亲和力成熟对有效的疫苗接种和感染预防至关重要。

除了产生抗体变异体之外,AID表达也给基因组带来威胁。AID能够导致双链DNA断裂,这是染色体易位产生的基础。它也能够导致免疫球蛋白(Ig)基因发生无义突变和缺失,或者产生自身反应性抗体。这些有害突变应当遭受淘汰。确实,组织学家长期以来一直在生发中心内发现的特殊的着色小体巨噬细胞(tingible body macrophage)中观察到大量的凋亡核(apoptotic nuclei)。然而,在组织学方面之外,人们对生发中心B细胞凋亡率,以及它在生发中心的暗区和明区中是否存在差异,知之甚少。再者,导致细胞凋亡的机制、这些机制在生发中心每个区域中的相对重要性和它们在生发中心B细胞筛选中的作用是不清楚的。

为了研究这些问题,来自美国洛克菲勒大学、康奈尔大学威尔医学院和荷兰阿姆斯特丹大学的研究人员构建出荧光凋亡指示剂小鼠,并且利用它们计算和描述生发中心内的死亡B细胞。相关研究结果发表在2017年10月13日的Science期刊上,论文标题为“The microanatomic segregation of selection by apoptosis in the germinal center”。

这些研究人员发现在免疫反应期间,细胞凋亡在生发中心的暗区和明区内普遍存在:高达50%的生发中心B细胞每6小时就经历程序性细胞死亡。他们分离出单个死亡的生发中心B细胞,克隆它们的抗体基因,通过短暂的转染表达这些抗体基因,并且测试它们的抗原结合性质和其他性质。发生凋亡的暗区B细胞高度富集被AID破坏的Ig基因,包括无义突变和缺失。

相比之下,死亡的明区B细胞主要表达完整的具有一系列亲和力的抗体,而且这些抗体在亲和力方面与活的明区中的生发中心B细胞表达的抗体是不可区分的。通过实验性地阻断正向筛选和利用Myc报告小鼠(Myc是一种原癌基因,可作为经历正向筛选的一种指示剂)作为研究对象,这些研究人员发现细胞凋亡是明区中没有经历正向筛选的生发中心B细胞的宿命。因此,明区中携带着低亲和力BCR的生发中心B细胞并不优先地经历凋亡。相反,细胞凋亡的发生与BCR亲和力无关,而且携带着高亲和力BCR的明区B细胞更可能经历正向筛选。

5.Science:重磅!CRISPR/Cas9为寻找靶DNA序列的灵活性付出时间代价
doi:10.1126/science.aah7084

图片来自Thomas Splettstoesser (Wikipedia, CC BY-SA 4.0)。 

在一项新的研究中,来自瑞典乌普萨拉大学的一个研究小组发现被称为“分子剪刀(molecular scissors)”的CRISPR-Cas9如何能够在基因组中寻找特定的DNA序列。Cas9已经在生物技术领域有了很多应用,也有望给医学带来革命性的变化。这些研究发现表明如何改进Cas9使得这种分子剪刀变得更加快速和更加可靠。相关研究结果发表在2017年9月29日的Science期刊上,论文标题为“Kinetics of dCas9 target search in Escherichia coli”。

论文通信作者Johan Elf说,“大多数寻找DNA密码的蛋白能够仅通过检测DNA双螺旋的外面来识别特定的序列。Cas9能够搜索任何一种DNA密码,但是要确定这种分子是否位于合适的位点上就必须打开DNA双螺旋,将寻找到的序列与编程的密码进行比较。令人难以置信的是,它能够搜索整个基因组,而且不需要使用任何能量。”这些研究人员开发出两种新的方法来测量Cas9找到它的靶序列需要多长时间。第一种方法表明Cas9花6个小时的时间搜索细菌基因组(400万个碱基对)。这种有点不可能的结果也能够通过第二种独立的方法加以验证。所发现的这种时间也与Cas9用来测量每个位点花费的毫秒数(能够通过实时地追踪标记的Cas9分子加以测量)相吻合。

Elf说,“这些研究结果给我们提供了我们如何可能实现这种解决方案的线索。关键在于PAM序列,它们决定着Cas9打开DNA双螺旋的位置和频率。不需多次打开DNA双螺旋的分子剪刀不仅更加快速地发现它们的靶序列,而且也会降低副作用产生的风险。”

6.两篇Science从结构上揭示细胞精确地呈递抗原机制
doi:10.1126/science.aao6001; doi:10.1126/science.aao5154


免疫系统通过检查一种分子护照来查验细胞的健康状态。有时,细胞呈递错误的分子护照,这能够导致自身免疫疾病、慢性炎症或癌症。来自德国法兰克福大学的科学家们解释了这一过程是如何发生的。

大多数细胞通过在它们的表面上呈递它们内部的选定组分(被称作抗原)来给适应性免疫系统中的T细胞提供关于它们的状况的信息。如果这些组分含有病毒组分或发生改变的细胞组分,那么受影响的细胞就会被清除。在这个过程中,抗原的选择是至关重要的。呈递错误的抗原会导致健康细胞遭受免疫系统攻击,从而导致自身免疫疾病或慢性疾病,或者患病的细胞不会被识别,从而能够让癌细胞或病毒感染的细胞逃避免疫监控。

来自法兰克福大学的Christoph Thomas博士和Robert Tampé教授如今在分子水平上解析出细胞如何将选择抗原并将它们呈递到它的表面上。他们的结构生物学研究首次证实抗原经历的这种质量控制确保产生精确而又有效的免疫反应。

7.Science:重大突破!我国科学家证实寨卡病毒发生单个突变导致婴儿出生缺陷
doi:10.1126/science.aam7120

图片来自NIAID。

在一项新的研究中,来自中国科学院、北京微生物流行病研究所、安徽医科大学和泰山医学院的研究人员报道,寨卡病毒已经存在了几十年,但直到最近才开始导致出生缺陷,这是因为这种蚊媒病毒可能在2013年获得一种突变。相关研究结果于2017年9月28日在线发表在Science期刊上,论文标题为“A single mutation in the prM protein of Zika virus contributes to fetal microcephaly”。

中国科学家报道,在2013年法属波利尼西亚发生寨卡病毒流行病之前,它的一种名为pRM的结构蛋白发生了突变。

在这项新的研究中,中国科学家开展的一系列实验证实,相比于较老的寨卡病毒版本,这种病毒的保护性外壳发生的这种突变使得它更可能杀死小鼠和人类中正在发育的脑细胞。

中国科学家报道,这种被称作S139N的突变,涉及一个精氨酸替换一个丝氨酸,是寨卡病毒在2010年到2016年之间在它的基因组中获得的“众多突变”之一。

8.Science:重大发现!揭示作为细胞废弃物的氨竟促进乳腺癌生长
doi:10.1126/science.aam9305

在一项新的研究中,来自美国哈佛医学院和布罗德研究所的研究人员报道,乳腺癌循环利用氨,即细胞代谢的一种废弃物,并且利用它作为氮源促进肿瘤生长。这些发现表明氨的存在加快体外培养的乳腺癌细胞增殖,而且抑制氨代谢能够阻止小鼠体内的肿瘤生长。相关研究结果于2017年10月12日在线发表在Science期刊上,论文标题为“Metabolic recycling of ammonia via glutamate dehydrogenase supports breast cancer biomass”。

论文通信作者、哈佛医学院细胞生物学副教授Marcia Haigis说,“传统上,氨被认为是一种代谢废弃物,这是因为它的毒性很高,所以它必须被清除。我们发现氨不仅对乳腺癌细胞没有毒性,而且它还能够作为肿瘤生长所需的氮源给肿瘤提供食物。

为了研究肿瘤如何处理高浓度的氨,Haigis和她的同事们使用了一种对谷氨酰胺中的氮元素进行标记的技术。当谷氨酰胺在细胞代谢期间遭受降解时,含有标记的氮元素的氨作为副产物被释放出来。

他们发现癌细胞高效地循环利用氨,将它整合到多种组分---主要是谷氨酸,即蛋白的一种基础的构成元件,以及它的衍生物---中。在癌细胞中,大约20%的谷氨酸含有这种标记的氮元素。

高浓度的氨似乎加快实验室培养的乳腺癌细胞生长。接触氨的癌细胞在7小时内的生长速度是没有接触氨的癌细胞的2倍。在三维培养---一种如身体中那样允许细胞在各个方向生长的技术---中,相比于未接触氨的癌细胞,氨接触让癌细胞的数量和细胞团的表面积增加高达50%。

在接受人乳腺癌移植的小鼠中,氨也加快肿瘤生长。这些研究人员阻断肿瘤中的谷氨酸脱氢酶(GDH)---一种特异性地对氨进行同化来发挥它的功能的酶---的活性时,它们的生长速度要比具有完整的GDH活性的肿瘤显著减慢。

9.Science:发现口腔细菌促进肠道疾病产生
doi:10.1126/science.aan4526; doi:10.1126/science.aap9298


在一项新的研究中,来自美国、日本、以色列、埃及和新加坡的研究人员发现一些证据,表明某些口腔细菌可能导致或加剧肠道疾病。他们在一篇发表在2017年10月20日的Science期刊上的论文中描述了对将在人口腔中发现的细菌导入到小鼠模型肠道内的影响的测试结果。中国科学院免疫学家曹雪涛(Xuetao Cao)院士针对这项研究在同期Science期刊上发表一篇观点类型的论文,提出这项研究可能有朝一日导致人们开发出治疗常见的肠道疾病的新疗法。

这些研究人员报道,他们开展这项研究的起因在于他们中的一些成员注意到患有这三种主要的肠道疾病类型之一的患者在其粪便中具有高于正常水平的口腔细菌。因猜测其中可能存在一种关联性,他们开展几项实验以便有助他们更多地了解这两者之间存在的关联性。

在第一项实验中,这些研究人员将来自克罗恩病患者的唾液移植到具有无菌的肠道微生物组的小鼠肠道中。他们发现在一些情形下,这会导致肠道炎症。更仔细的观察表明导致这种炎症的细菌是肺炎克雷伯氏菌(Klebsiella pneumoniae),即一种常见于在人口腔中但很少存在于肠道中的菌株。在另一项实验中,这些研究人员将这种细菌直接导入到健康小鼠的肠道中,结果发现这并不会导致任何问题。当导入克雷伯氏菌(Klebsiella)时,让这些小鼠服用抵抗克雷伯氏菌的抗生素再次会导致肠道炎症。利用来自结肠炎患者的唾液开展的实验也会产生类似的结果。

10.Science:首次解析出多巴胺受体D4的高分辨率结构
doi:10.1126/science.aan5468

图片来自UNC / UCSF。

很多抗精神药物通过结合到大脑中的多巴胺受体分子上发挥作用。作为一种神经递质和化学信号,多巴胺在我们的经历如何影响我们的行为中发挥着至关重要的作用。但是鉴于科学家们仍然不能够理解脑细胞表面上的多种多巴胺受体之间的差异,这些药物中的大多数会导致“混乱”:它们结合到多种不同的多巴胺受体分子上,从而导致严重的副作用,如运动障碍和病理性赌博。

如今,在一项新的研究中,来自美国北卡罗来纳大学教堂山分校、斯坦福大学和加州大学旧金山分校的研究人员解析出一种被称作D4的特定多巴胺受体的高分辨率晶体结构,这种分辨率是迄今为止解析出的任何其他的多巴胺受体、血清素受体和肾上腺素受体结构中最高的。这一发现允许他们设计一种新的紧密地结合到D4受体上但不会结合到他们测试的其他320种受体上的化合物。相关研究结果发表在2017年10月20日的Science期刊上,论文标题为“D4 dopamine receptor high-resolution structures enable the discovery of selective agonists”。论文通信作者为北卡罗来纳大学教堂山分校的Sheng Wang、Daniel Wacker和Bryan L. Roth,以及加州大学旧金山分校的Brian K. Shoichet。

为了解析出D4受体的高分辨率结构,这些研究人员在三年多的时间里开展一系列实验让它形成结晶。他们让D4受体分子溶解于基于水的缓冲液中,随后缓慢地移除水分。随后,为了确保它们是完全静止的以便对它们进行成像,他们采用了多种实验技巧,从而在非常合适的条件下仔细地移除水分,直到它们紧紧地挤在一起形成晶体,接着利用X射线轰击形成的晶体。结果就是获得迄今为止第一张超高分辨率的结合到抗精神病药物奈莫必利(nemonapride)上的D4受体的结构图。

接着,这些研究人员利用这种新的高分辨率结构和他们开发的计算建模程序,对60万种化合物进行虚拟评估。一旦鉴定出10种候选化合物很可能是D4受体的结合物,他们就在实验室中对它们进行实验测试。

他们发现这10种化合物中的两种结合到D4受体上,但是这种结合相对较为松弛。以这两种化合物为起始点,他们经过反复实验,设计和测试了几十种新的可能更加紧密地结合到D4受体上的化合物。

最终,通过调整化学键和离子相互作用,以及添加新的化学基团,这些研究人员鉴定出一种化合物UCSF924,计算机模拟结果表明它能够非常紧密地结合到D4受体上。当在实验室对这种化合物进行测试时,他们证实相比于初始的化合物,它能够结合到D4受体上的强度增加了1000倍。

11.Science:揭示催产素促进社交能力机制
doi:10.1126/science.aan4994; doi:10.1126/science.aao7192


为什么与我们的朋友一起出去玩这么有趣?为什么有些人如此善于交际,而另一些人则是孤独者,或者似乎对与他人的互动完全过敏?

在一项新的研究中,来自美国斯坦福大学、约翰霍普金斯大学和澳大利亚弗洛里神经科学与心理健康研究所的研究人员开始提供一种答案:通过当社交发生时提供愉悦的感觉,准确地查明大脑中促进社交的区域和过程。这些发现指出了潜在地有益于人们(比如那些患有自闭症或精神分裂症的人,这些人非常讨厌社交)的方法。相关研究结果发表在2017年9月29日的Science期刊上,论文标题为“Gating of social reward by oxytocin in the ventral tegmental area”。这项研究详细地阐述了一种被称作催产素(oxytocin)的物质在培养和维持社交能力中的作用。论文通信作者是斯坦福大学精神病学与行为科学系副主任Robert Malenka教授。论文第一作者是Lin Hung博士。

12.Science:重磅!揭示肾上腺素能神经促进前列腺癌产生机制
doi:10.1126/science.aah5072; doi:10.1126/science.aaq0365

图片来自Albert Einstein College of Medicne。

在一项新的研究中,来自美国阿尔伯特-爱因斯坦医学院的研究人员报道某些神经通过启动一种导致肿瘤血管增殖的开关来维持前列腺癌生长。他们早前的首次提出神经促进前列腺癌产生的研究促使他们开展一项探索性研究来测试β受体阻滞剂(经常用来治疗高血压)是否能够杀死经确诊患上前列腺癌的男性体内的癌细胞。相关研究结果发表在2017年10月20日的Science期刊上,论文标题为“Adrenergic nerves activate an angio-metabolic switch in prostate cancer”。

在当前的这项研究中,这些研究人员利用一种前列腺癌小鼠模型来确定结缔组织内的神经如何促进前列腺瘤生长。在神经纤维释放出去甲肾上腺素之后,这种激素结合位于血管内表面的内皮细胞上的受体。他们发现与这些受体的结合会启动一种“血管-代谢开关(angio-metabolic switch)”,从而改变细胞代谢葡萄糖的方式。为了制造新的血管,通常利用氧化磷酸化从葡萄糖中获取能量的内皮细胞如今几乎完全依赖于糖酵解。利用糖酵解代谢葡萄糖是之前在癌细胞中观察到的一种现象。

为了证实去甲肾上腺素在启动这种代谢开关中的作用,这些研究人员在他们的小鼠模型中剔除了一个编码血管内皮细胞表面上的去甲肾上腺素受体的基因,从而清除了去甲肾上腺素的结合靶标。他们随后观察到缺乏这种受体的内皮细胞利用氧化磷酸化而不是糖酵解代谢葡萄糖。因此,新血管的形成受到抑制。(生物谷 Bioon.com)

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