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2018年2月Science期刊不得不看的亮点研究

来源:本站原创 2018-02-28 23:43

2018年2月28日/生物谷BIOON/---2月份即将结束了,2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:揭秘雄心勃勃的全球病毒组计划
doi:10.1126/science.aap7463


一项新的全球计划试图在爆发病毒性流行病之前主动鉴定出病毒威胁、为这些威胁作好准备和阻止这些威胁,而不是等到埃博拉病毒(导致埃博拉疫情)、SARS病毒(导致非典型肺炎疫情) 和寨卡病毒(导致寨卡疫情)等病毒爆发流行病后,世界被迫针对此作出反应。相关研究结果发表在2018年2月23日的Science期刊上,论文标题为“The Global Virome Project”。 全球病毒组计划(The Global Virome Project)是一项国际合作计划,旨在鉴定出地球上大部分未知病毒,并且阻止它们的传播。论文作者们说,这种方法可能标志着“大流行病时代”的结 束。
图片来自Kathy West/UC Davis One Health Institute。

全球病毒组计划的想法始于2016年,当时来自亚洲、非洲、美洲和欧洲的横跨产业界、学术界、政府间机构、非政府组织和私营部门的利益相关者开始为这一计划设计框架。预计中国和泰国 的野外调查将于今年开始。

2.Science:揭示细胞凋亡期间,mtDNA逃离线粒体机制
doi:10.1126/science.aao6047


在一项新的研究中,由澳大利亚莫纳什大学生物医学发现研究所的Benjamin Kile教授领导的一个国际研究团队发现并拍摄了在细胞死亡期间线粒体DNA(mtDNA)逃离线粒体(细胞内产生能量 的细胞器)的确切时刻。相关研究结果发表在2018年2月23日的Science期刊上,论文标题为“BAK/BAX macropores facilitate mitochondrial herniation and mtDNA efflux during apoptosis”。

虽然mtDNA从线粒体中释放出来被认为是造成狼疮等自身免疫疾病的原因,但它逃离线粒体的方式从未被人解释过。莫纳什大学生物医学发现研究所研究员Kate McArthur博士在美国珍妮莉娅 研究学院(Janelia Research Campus)里利用一种革命性的新型显微镜捕捉线粒体形成“突出物(hernia)”的时刻,这种突出物将mtDNA排出到细胞的其余部分。

这种由诺贝尔奖获得者Eric Betzig开发出的活细胞晶格光片显微镜(live-cell lattice light-sheet microscopy, LLSM)系统是一种新技术,它允许科学家们以一种突破性的分辨率观察活 细胞。McArthur博士在2015~2017年之间多次前往美国珍妮莉娅研究学院,并记得她首次观察到线粒体积极地驱逐它的mtDNA的时刻。

当细胞开始凋亡时,两种蛋白BAK和BAX会被激活。这些研究人员实时观察到这些专业的杀手蛋白在线粒体外膜上打开巨大的“大孔(macropore)”,从而导致线粒体的内含物向外突出,同时 将mtDNA一起带走。

3.Science:重磅!首次实时观察到凝缩蛋白挤压DNA形成环状结构
doi:10.1126/science.aar7831


引人注目的是,活的细胞当准备分裂时,能够将一堆杂乱的长达两米的DNA包装成整齐的微小染色体。然而,科学家们几十年来一直对这个过程是如何发生的感到困惑。如今,在一项新的研究中,来自荷兰代尔夫特理工大学卡夫利研究所和位于德国海德堡的欧洲分子生物学实验室(EMBL)的研究人员分离出这个过程,拍摄它的影像,并且实时观察一种被称作凝缩蛋白(condensin)的蛋白复合物如何缠绕DNA从而挤压出环状结构(loop)。通过在DNA长链中挤压出许多这样的环状结构,细胞高效地压缩它的基因组,因此细胞中的基因组能够均匀分布到它的两个子细胞中。相关研究结果于2018年2月22日在线发表在Science期刊上,论文标题为“Real-time imaging of DNA loop extrusion by condensin”。

这一发现解决了这个领域中的一项激烈的辩论,这是因为它最终解答了生物学中讨论了一个多世纪的问题:在产生两个子细胞之前,细胞中的DNA就好比是意大利面条---DNA链混杂地掺合在一起。细胞需要组装染色体中的这些混杂物,从而能够将它的DNA整齐地分配到两个子细胞中。多年来,人们已明确作为一种蛋白复合物,凝缩蛋白起着关键的作用,但是在此之前,生物学家们对凝缩蛋白是如何发挥作用的存在着分歧。有一种理论认为,凝缩蛋白的作用就像一个钩子,能够抓住这种DNA混杂物中的DNA并将它连接在一起。另一种理论认为环形的凝缩蛋白将DNA向内拉,从而让它形成环状结构。

代尔夫特大学卡夫利研究所的Cees Dekker团队与位于德国海德堡的欧洲分子生物学实验室的Christian Haering团队一起拍摄出这种凝缩蛋白复合物发挥作用---它挤压出DNA环状结构---时的影像。Haering团队开发出这种蛋白复合物的纯化方法和荧光标记方法。

4.Science:发现一组特定的神经细胞控制着癫痫发作在大脑中的扩散
doi:10.1126/science.aan4074; doi:10.1126/science.aas8993


颞叶癫痫(temporal lobe epilepsy)是成年人中最为常见的癫痫形式。在一项新的研究中,来自美国斯坦福大学医学院的研究人员发现通过实验手段激活大脑中的一小组神经细胞就可阻止颞叶癫痫小鼠模型中的惊厥性癫痫发作。相比之下,让这些被神经科学家称为原浆性星形细胞(mossy cell)的神经细胞失活有助于在癫痫发作时的局部电过度活跃在整个大脑中扩散,从而导致颞叶癫痫的全部行为症状。相关研究结果发表在2018年2月16日的Science期刊上,论文标题为“Dentate gyrus mossy cells control spontaneous convulsive seizures and spatial memory”。
图片来自Ivan Soltesz博士/Stanford University。

原浆性星形细胞仅在海马体的一个区域中发现,它们的数量很少,但每个细胞都与数以万计的其他的海马体神经细胞连接在一起。通过这些连接,原浆性星形细胞能够刺激大量的兴奋性海马体神经细胞(excitatory hippocampal nerve cell),后者的输出延伸到海马体的其他区域。但是它们也能够刺激一类抑制这些兴奋性海马神经细胞的细胞。迄今为止,原浆性星形细胞活性的净效应是促进还是抑制这些兴奋性神经细胞的整体输出是一个悬而未决的问题。

为了解答这个问题,Soltesz和他的同事们研究了颞叶癫痫小鼠模型。这些研究人员使用的这些小鼠是经过生物工程改造的,从而让它们的原浆性星形细胞对光脉冲作出反应,其中这些光脉冲是通过植入的光纤传送给这些细胞的。蓝光让原浆性星形细胞放电,而琥珀色灯光阻止它们放电。因此,通过切换一种激光开关,他们就能够随意地激活或抑制小鼠体内的原浆性星形细胞。(这种应用日益广泛的被称作光遗传学的实验技术因它能够靶向一组特定的神经细胞来揭示它们的功能而引人关注)。他们还记录了原浆性星形细胞所在的海马体区域中的活动。

Soltesz、Bui和他们的同事们发现抑制原浆性星形细胞虽然不会增加这些慢性癫痫小鼠病灶中的自发性电过度活跃发作频率,但确实会显著增加从病灶扩散到大脑中的更大区域的癫痫发作次数。相反,刺激这些小鼠中的原浆性星形细胞会降低泛化的从外面看得见的癫痫发作次数,但对纯粹的局灶性癫痫发作(focal seizure)频率没有影响或仅有轻微的影响。

在一项测量小鼠识别不熟悉物体的记忆测试中,尽管这些癫痫小鼠失去了一半以上的原浆性星形细胞,但它们确实表现很好。不过它们未能通过另一项评估当一个熟悉的物体被移动时它们的注意能力---一种空间记忆的衡量标准---测试:在慢性颞叶癫痫症中,这种记忆能力下降了。当这些研究人员也利用经过光遗传学改造(除此之外,其他方面都正常)的小鼠进行这些测试时,它们表现很好,但是当抑制它们的原浆性星形细胞时,它们的空间记忆也下降了。

5.Science:利用CRISPR构建出细胞事件记录器---CAMERA
doi:10.1126/science.aap8992; doi:10.1126/science.359.6377.728


在一项新的研究中,来自美国布罗德研究所的Weixin Tang和David R. Liu开发出一种利用CRISPR构建细胞事件记录系统的技术。在他们于2018年2月15日在线发表在Science期刊上的标题为“Rewritable multi-event analog recording in bacterial and mammalian cells”的论文中,他们描述了这种技术和利用它开发出的两种记录系统。Jon Cohen针对这项研究在2018年2月16日的Science期刊上进行了讨论。

这两名研究人员报道他们开发出一种被称作CAMERA(CRISPR-mediated analog multi-event recording apparatus, CRISPR介导的模拟多事件记录装置)的技术,他们利用这种技术构建出两种类型的细胞记录系统。

在第一种被称为“CAMERA 1”的细胞记录系统中,这两名研究人员将两种彼此之间略有不同的质粒注射到细菌细胞中,随后在接触到所需的刺激物期间,利用CRISPR-Cas9对这两种质粒中的一种进行切割,从而诱导细胞产生另一种质粒来取代它。这样做就会在事件发生时记录它们。这种技术允许这两名研究人员记录细胞如何对营养物或抗生素等刺激物作出反应。

在第二种被称为“CAMERA 2”的细胞记录系统中,当所需的信号在细胞中发生时,这两名研究人员利用碱基编辑器(base editor)改变遗传密码中的单个碱基。利用这种技术,他们记录当接触病毒、营养物和抗生素等刺激物时,细胞如何作出反应。他们报道这种技术成功地用于细菌细胞和人细胞中。

6.Science:重大突破!开发出基于CRISPR的一次性多重核酸检测平台
doi:10.1126/science.aaq0179


在一项新的研究中,之前首次开发出一种快速而又廉价的高度灵敏的基于CRISPR的诊断工具---被称作SHERLOCK(Specific High Sensitivity Enzymatic Reporter UnLOCKing)---的研究人员极大地增强了这种工具的功能,并且开发出一种微型试纸条测试方法,这种测试方法允许用肉眼观察到测试结果,而无需使用昂贵的设备。相关研究结果于2018年2月15日在线发表在Science期刊上,论文标题为“Multiplexed and portable nucleic acid detection platform with Cas13, Cas12a, and Csm6”。

SHERLOCK取得成功的关键在于一种被称作Cas13的CRISPR相关蛋白,这种蛋白经编程后结合到一段特定的RNA片段上。Cas13的靶标能够是任何基因序列,包括病毒基因组、在细菌中赋予抗生素耐药性的基因或者导致癌症的突变。在某些情况下,一旦Cas13定位到并切割它指定的靶标,这种酶就会超速运转,从而不加区别地切割附近的其他RNA。为了开发出SHERLOCK,这些研究人员将这种“脱靶”活性转化为它的优势,从而设计出这种与DNA和RNA相兼容的系统。

SHERLOCK的诊断潜力依赖于额外的在遭受切割后产生信号的合成RNA链。在Cas13结合到它的初始靶标后,它会切割这种合成RNA,释放出信号分子,从而产生指示它的靶标存在或不存在的测量值。

SHERLOCK平台如今能够适用于测试多种靶标。SHERLOCK最初一次只能检测到一种核酸序列,但是如今一次分析能够同时为多达4种不同的靶标提供荧光信号---这意味着需要更少的样品用于诊断中。比如,这种新的SHERLOCK版本能够在单一反应中确定一种样品是否含有寨卡病毒或登革热病毒颗粒,这些病毒颗粒会导致患者出现类似的症状。这种平台利用来自不同细菌种类的Cas13和Cas12a(以前称为Cpf1)酶产生这些额外的信号。

7.Science:重大进展!开发出基于CRISPR-Cas12a的技术检测病毒DNA
doi:10.1126/science.aar6245


一种强大的基因组编辑工具能够作为一种王牌DNA侦探进行部署,能够嗅出指示病毒感染、癌症或者甚至缺陷性基因存在的DNA片段。

Doudna说,这种被称作DETECTR(DNA Endonuclease Targeted CRISPR Trans Reporter)的DNA侦探工具“能够实现灵敏而又准确的DNA检测”,并且能够在人类样品中发现两种致癌性的人类乳头状瘤病毒(HPV)。2017年11月,她和她的同事们首先在bioRxiv.org上发布了这项研究的预印本(doi:10.1101/226993);相关研究也于2018年2月15日在线发表在Science期刊上,论文标题为“CRISPR-Cas12a target binding unleashes indiscriminate single-stranded DNase activity”。

这些研究人员观察到在某些情况下,Cas12a会变成一种DNA切碎机,将附近的任何单链DNA进行切割。但这不是滥杀滥伤。为了开始砍刀行动,Cas12a首先必须找到一个精确的DNA靶标。人们能够通过添加一个告诉Cas12a寻找什么的向导RNA分子来对这个靶标进行编程。Harrington说,“通过重新编程来发现你想要检测的任何DNA片段是非常简单的。”

一旦Cas12a锁定它的靶标并进行切割,它就会开始撕碎它能够发现的所有单链DNA。但是为了让这种系统变得有用,Doudna和她的同事们需要一种方法来观察Cas12a何时开始这种分子残杀,从而指示它已找到它的靶标。因此,这些研究人员使用了一种发光分子(一种易于发现的荧光分子),并且这种发光分子通过一种单链DNA与一种阻止这种发光分子发光的抑制分子连接在一起。当Cas12a开始砍刀行动时,它切割将这种发光分子和这种抑制分子连接在一起的单链DNA。这就移除了这种抑制分子,让这种发光分子发光---一种研究人员能够检测到的信号。

Doudna团队随后利用他们的DNA侦探进行测试。通过与加州大学旧金山分校的Joel Palefsky博士及其团队合作,他们寻找来自两种致癌性HPV---HPV16和HPV18---的DNA信号。这些研究人员获得了25份来自未感染上HPV、感染这两种致癌性HPV中的一种和同时感染上这两种致癌性HPV的人的DNA样品。对HPV16而言,DETECTR对这所有的25份样本都作出了正确的判断。对HPV18而言,DETECTR正确地判断了这25份样品中的23份。Doudna说,它错过的样品信号比较弱,可能能够通过设计不同的向导RNA加以改进。

8.Science:挑战常规!利用基于CRISPR/Cas9的DNA标记技术观察动态的DNA舞蹈
doi:10.1126/science.aao3136


DNA在转录期间发生抽动,让相距较远的基因组区域接触,从而增强基因表达。在一项新的研究中,来自美国斯坦福大学的研究人员开发出一种新的方法来标记单个非重复性的DNA序列。相关研究结果于2018年1月25日在线发表在Science期刊上,论文标题为“Transcription-coupled changes in nuclear mobility of mammalian cis-regulatory elements”。

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

这种新的DNA标记技术能够利用荧光分子精确地标记任何单个DNA片段,并追踪它们的三维位置和运动,从而允许揭示出这种DNA舞蹈。这些研究人员将这种技术称为嵌合gRNA寡核苷酸阵列(chimeric array of gRNA oligo, CARGO)。它是CRISPR/Cas9基因编辑工具的一种变体,有望引发基因组动力学研究变革。

Guys、作为论文第一作者的研究生Bo Gu和另一名论文共同作者Tomasz Swigut博士设计了一种方法:将由许多不同的gRNA组成的阵列导入细胞中,从而精确地识别独特的非重复性DNA片段并利用多种荧光分子对它们进行标记,这样就能够在显微镜下很容易地可视化观察到它们。

9.Science:首次在成年大脑中观察到干细胞分裂
doi:10.1126/science.aao5056; doi:10.1126/science.aar7732


在一项新的研究中,来自瑞士苏黎世大学的研究人员首次在完整的成年大脑中成功地跟踪了单个干细胞及其神经元后代数个月的时间。这对一生当中新的神经元是如何产生的提出新的见解。相关研究结果发表在2018年2月9日的Science期刊上,论文标题为“Live imaging of neurogenesis in the adult mouse hippocampus”。

苏黎世大学大脑研究所教授Sebastian Jessberger及其团队首次展示了神经干细胞分化和新生的神经元在成年小鼠的海马体中整合的过程。这些研究人员对神经干细胞进行体内双光子成像和遗传标记,以便观察干细胞分裂,并且追踪新的神经细胞成熟长达两个月的时间。通过在一段时间内观察这些细胞发挥作用,他们展示了大多数干细胞在成熟为神经元之前仅分裂几轮。这些结果就解释了为何随着年龄的增加,新生细胞的数量急剧下降。

10.Science:重大发现!多种精神障碍存在着基因重叠
doi:10.1126/science.aad6469


大多数医学疾病具有明确的在组织、器官和体液中观察到的物理特征。相反之下,精神障碍(psychiatric disorder)并不是由这种病理特征所定义的,而是由行为所决定的。

在一项新的研究中,来自美国加州大学洛杉矶分校和中国中南大学等研究机构的研究人员发现自闭症、精神分裂症和躁郁症在分子水平上具有一些相同的物理特征,特别是大脑中的基因表达的模式。他们还查明这些精神障碍中的基因表达存在着重要的差异。相关研究结果发表在2018年2月9日的Science期刊上,论文标题为“Shared molecular neuropathology across major psychiatric disorders parallels polygenic overlap”。

这些研究人员分析了来自患有自闭症、精神分裂症、躁郁症、重度抑郁症或酒精滥用障碍的已故受试者的大脑的700个组织样品中的RNA,并将它们与来自没有精神障碍的大脑的样品进行比较。

分子病理学分析结果表明不同的精神障碍(如自闭症和精神分裂症)之间存在显著的基因重叠,但它们也表现出特异性,比如重度抑郁症表现出在其他的精神障碍中没有观察到的分子变化。

11.Science:重大突破!揭示piRNA建立安全系统保护基因组机制
doi:10.1126/science.aao2840


数以千计的具有不同核苷酸序列的短RNA分子起着安全卫士的作用,能够识别和沉默侵入基因组的企图,比如病毒或被称为转座子的寄生元件插入到宿主基因组中的DNA。

这些不同的小RNA分子,被称为与Piwi蛋白相互作用的RNA(Piwi-interacting RNA, piRNA),是由各种动物(如从昆虫、线虫到小鼠和人类等哺乳动物)产生的。在一项新的研究中,来自芝加哥大学的研究人员描述了piRNA如何发现外源基因序列并让它们沉默。他们还展示了内源性的或着说“自我”的基因如何避免接受这种额外的检测。相关研究结果发表在2018年2月2日的Science期刊上,论文标题为“The piRNA targeting rules and the resistance to piRNA silencing in endogenous genes”。
图片来自Jordan Brown, UChicago。

当蛋白Piwi识别到它们的靶RNA时,它们招募一系列更小的与靶位点上的序列相对应的次级RNA,这是一种对靶位点进行标记来吸引注意力的方法。知道了这一点,Lee和他的团队利用在秀丽隐杆线虫中不存在的序列构建出合成piRNA,并追踪它在何处产生它的标记物。随后,通过研究这种合成piRNA标记的不同序列,他们就能够找出它发现匹配靶标的机制。

结果证明piRNA与靶序列的一部分非常密切地匹配,但是它们能够容忍这种靶序列的其余部分存在几个不匹配的地方。在这种线虫中似乎还有很多不配对的Piwi,因此这给它们提供了一个具有很多许多可能的序列组合的工具箱来识别外源的RNA并将其关闭。

这些研究人员还发现许多内源性基因有额外的将它们标记为“自我的”而非外源的A和T核苷酸重复片段。这一许可信号可作为识别基因的证书和显示它的所属piRNA系统的护照。Lee说,“我们证实内源性基因能够利用一种许可系统抵抗piRNA系统,这真的很酷。它们所要做的就是利用‘自我’信号标记它们自己。”

12.Science:揭示细菌在促进结肠癌产生中起着关键作用
doi:10.1126/science.aah3648


在美国,结肠癌每年造成超过5万人死亡,而且越来越多的年龄在20至50岁的年轻人患上这种疾病。在一项新的研究中,来自美国约翰霍普金斯大学布隆伯格-基梅尔癌症免疫治疗研究所的一个研究团队发现两种细菌物种存在于遗传性结肠癌患者的结肠中,这两种细菌物种合作促进这种疾病产生,而且也在散发性结肠癌患者的结肠中发现了这两种相同的细菌物种,相关研究结果发表在2018年2月2日的Science期刊上,论文标题为“Patients with familial adenomatous polyposis harbor colonic biofilms containing tumorigenic bacteria”。

大约5%的结肠癌是由一种被称作家族性腺瘤性息肉病(familial adenomatous polyposis,FAP)的遗传综合征引起的,在这种遗传综合征中,一种遗传性突变引发一系列随着随时间的推移而产生的遗传变化,最终促使这些结肠上皮细胞变成恶性肿瘤细胞。不过,Cynthia Sears博士说,目前尚不清楚产肠毒素脆弱拟杆菌(enterotoxigenicBacteroidesfragilis, ETBF)或其他的细菌是否在FAP患者进展为结肠癌中发挥作用。

为了研究由这些细菌引起的生物膜与癌症形成之间的关系,她和她的同事们研究了从6名FAP患者中移除的结肠组织。测试结果表明在大约70%的患者中,斑片状的生物膜沿着结肠的长度进行分布。这些研究人员利用基因探针鉴定特定的细菌种类,并发现这些生物膜主要由两种类型的细菌---脆弱拟杆菌和大肠杆菌---组成:鉴于结肠含有至少500种不同类型的细菌,这是一个令人惊讶的发现。来自FAP患者的另外25个结肠样品的测试结果表明这种脆弱拟杆菌菌株是一种被称作ETBF的亚型,它产生的一种毒素激活结肠上皮细胞中的某些致瘤或促癌通路并导致结肠炎症。这种大肠杆菌菌株产生一种被称作colibactin毒素的物质(由细菌基因组中的一组被称作PKS岛的基因合成),从而导致DNA突变。Sears说:“这些影响结合在一起,需要这两种细菌共同存在,从而才能促进行结肠癌产生。人们发现这两种类型的细菌通常在世界范围内的婴幼儿体内定植,这可能会导致年轻人的结肠癌发病率上升。”

通过使用结肠癌小鼠模型,这些研究人员发现仅这两种细菌物种中的一种在结肠中定植的小鼠很少产生肿瘤或者根本就不产生。然而,当这两种细菌物种同时定植在它们的结肠中时,它们产生很多肿瘤,这表明这两种细菌之间存在协同作用。

Sears实验室在2009年早些时候在Nature Medicine上发表的一项研究已提示着一种独特的免疫反应---由一种被称作IL-17的炎性蛋白引发---是ETBF诱导的肿瘤形成的关键。Pardoll和Sears说,重要的是要注意这种类型的免疫反应与治疗性免疫治疗药物诱导的抗肿瘤免疫反应是不相同的并且实际上是对立的。

为了证实IL-17在这两种细菌的促癌作用中的重要性,他们使用了IL-17基因被剔除的小鼠模型,这样这些小鼠就不能表达IL-17蛋白。他们随后让ETBF和PKS阳性大肠杆菌定植在这些小鼠的结肠中。不同于容易表达IL-17的小鼠的是,这些经基因修饰的小鼠不会形成结肠瘤,这就证实这种蛋白在细菌驱动的结肠癌中发挥着重要的作用。然而,除了IL-17之外,这些研究证实ETBF消化结肠粘液层,从而使得PKS阳性大肠杆菌能够大量地粘附到结肠粘膜上,在那里这两种细菌一起诱导增加的DNA损伤,这是导致结肠肿瘤形成的基因突变出现之前的一个重要的步骤。(生物谷 Bioon.com)

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