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2018年4月27日Science期刊精华

来源:本站原创 2018-04-30 23:58

2018年4月30日/生物谷BIOON/---本周又有一期新的Science期刊(2018年4月27日)发布,它有哪些精彩研究呢?让小编一一道来。
图片来自Science期刊。

1.重磅!4篇Science论文聚焦基于CRISPR的下一代诊断工具
doi:10.1126/science.aas8836; doi:10.1126/science.aaq0179; doi:10.1126/science.aar6245; doi:10.1126/science.aat4982

图片来自Zhang lab, Broad Institute。

2017年,美国布罗德研究所核心成员张锋(Feng Zhang, 音译)教授及其团队开发出一种被称作SHERLOCK(Specific High-sensitivity Enzymatic Reporter unLOCKing)的诊断平台。它利用一种依赖体热的扩增过程来提高临床样品中的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。这种诊断平台的关键在于Cas13酶和RNA报告分子。Cas13经编程后结合到一段特定的RNA片段上。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。

为此,在第一项新的研究中,布罗德研究所成员Pardis Sabeti教授、Sabeti实验室的研究生Catherine Freije和博士后研究员Cameron Myhrvold开发出一种更加简单的方法,从而允许Cas13直接在唾液或血液等体液样品中检测它的靶标。相关研究结果发表在2018年4月27 日的Science期刊上,论文标题为“Field-deployable viral diagnostics using CRISPR-Cas13”。

这种方法被称作HUDSON(Heating Unextracted Diagnostic Samples to Obliterate Nucleases, 即对未提取的诊断样品进行加热来消除核酸酶)。它由对临床样品进行快速的化学和热处理以便灭活某些会降解基因靶标的酶。这些经过处理的临床样品随后通过SHERLOCK 诊断平台进行检测,最终的检测结果(阳性或阴性)能够在试纸条上很容易地观察到。这一整套检测流水线能够在两个小时内完成。

在第二项新的研究中,布罗德研究所核心成员Feng Zhang 教授和他的团队对SHERLOCK诊断平台进行一系列优化,开发出一种微型试纸条测试方法,在将试纸条浸入经过处理的样品中后,就会出现一条线来指示靶分子是否被检测到,从而允许用肉眼观察到测试结果,而无 需使用昂贵的设备。相关研究结果发表在2018年4月27日的Science期刊上,论文标题为“Multiplexed and portable nucleic acid detection platform with Cas13, Cas12a, and Csm6”。

他们让这种平台使用来自不同细菌种类的Cas13和Cas12a(以前称为Cpf1)酶来产生额外的信号。此外,他们还添加了一种额外的CRISPR相关酶(即Csm6)来放大检测信号,从而增加了SHERLOCK的灵敏度,并增加准确地定量确定样品中的靶分子水平和一次测试多种靶分子 的能力。

在第三项新的研究中,加州大学伯克利分校的Jennifer A. Doudna教授和她的团队通过将CRISPR的功能与分子信号枪相结合,开发出一种简单的方法。这种被称作DETECTR(DNA Endonuclease Targeted CRISPR Trans Reporter)的新方法能够实现灵敏而又准确的DNA检测 。相关研究结果发表在2018年4月27日的Science期刊上,论文标题为“CRISPR-Cas12a target binding unleashes indiscriminate single-stranded DNase activity”。

Doudna团队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。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。

针对这三项新的研究中,美国国家过敏症与传染病研究所的Daniel S. Chertow在同期Science期刊上发表了一篇标题为“Next-generation diagnostics with CRISPR”的评论类型论文。

2.Science:揭示动物组织再生蓝图
doi:10.1126/science.aap8179; doi:10.1126/science.aat4588


在一项新的研究中,来自美国怀特海德研究所的研究人员描述了一种关于真涡虫(planarian)眼睛再生的模型:真涡虫的眼睛再生受到同时发挥作用的三个原则的调控,这有助了解真涡虫的祖细胞如何在再生中发挥功能。这种模型涉及位置线索;吸引祖细胞到现存结构 的自组织(self-organization);起源自分散的空间区域而不是起源自精确位置的祖细胞,从而给它们的迁移路径提供灵活性。这三个原则似乎确定着祖细胞在再生期间如何决定迁移到何处进行形态和功能重建,并且它们让我们从系统水平上理解这个过程更接近一步。 相关研究结果于2018年3月15日在线发表在Science期刊上,论文标题为“Self-organization and progenitor targeting generate stable patterns in planarian regeneration”。论文通信作者为怀特海德研究所研究院、麻省理工学院生物学教授和霍华德休斯医学研 究所研究员Peter Reddien博士。

Reddien和他的实验室花了十多年的时间利用一种被称作真涡虫的小扁虫来揭示再生之谜。如果一个真涡虫的头部被截断,或者它的一侧被切除,那么它的每一部分(比如它的被截断的头部和剩余的部分)都会再生出整个动物。为了理解祖细胞在动物再生的嘈杂环境中如 何决定迁移到哪里,这些研究人员使用了真涡虫的眼睛,它是一个肉眼看得见的器官,该器官足够小以至于可在不会产生严重损伤的情况下将它切除,此外,它还含有人们已确定的祖细胞分子标志物。

这些研究人员设计了一个简单的实验来解决这些祖细胞如何决定迁移到哪里的问题:截断真涡虫的头部,接着在三天后从这个被截断的头部部分移除一只眼睛。他们发现祖细胞会在位于剩余的一只眼睛的前面开始形成一只新的眼睛,而不是在解剖结构确定的“正确”位 置(与剩余的这只眼睛相对称的位置)上形成一只新的眼睛。但是,如果在更早的时候---与头部截断的同一天而不是在三天后---从被截断的头部部分移除一只眼睛,然后开展相同的实验,那么会产生不同的结果:新的眼睛在与剩下的一只眼睛相对称的位置---也就是身 体结构的“正确”位置---上开始形成,这提示着当多种选择存在冲突时,解剖结构的自组装动力学取胜。

这些简单的规则指导这种动物成功再生,并且当它的再生潜能被最大限度地挖掘时会产生替代性的稳定的解剖结构形态:产生具有三只眼睛、四只眼睛或五只眼睛的真涡虫。切除这种动物的一侧并且截断它的头部能够让它的祖细胞足够远地远离现有的眼睛,从而允许在 头部部分中开始形成第三只眼睛。

3.Science:利用光线测量单个生物分子的质量
doi:10.1126/science.aar5839; doi:10.1126/science.aat5851


英国牛津大学化学系教授Philipp Kukura及其同事们在2014年首次证实利用光散射能够可视化观察蛋白---仅几纳米宽的生物分子。但是直到去年,他们才能够充分地改进图像质量,从而使得这种技术能够与基于荧光的光学技术相竞争。

如今,在一项新的研究中,英国牛津大学化学系教授Philipp Kukura博士及其同事们开发出一种检测光散射而不是荧光的显微技术---他们称之为干涉散射质谱(interferometric scattering mass spectrometry, iSCAMS),并证实利用这种技术能够观察溶液中的单个分 子并测量它们的质量。相关研究结果发表在2018年4月27日的Science期刊上,论文标题为“Quantitative mass imaging of single biological macromolecules”。

Kukura教授说,“iSCAMS有很多优点。它测量单个分子质量的准确度接近最先进的质谱仪,然而质谱仪价格昂贵,并且在并不一定代表生物系统的真空条件下运行。相反地,iSCAMS仅需非常少量的样品就可做到,而且基本上在任何水环境中都可运行。”

4.Science:揭示记忆储存在印迹神经元突触中
doi:10.1126/science.aas9204


根据一项新的研究,当形成记忆时,某些神经元之间形成更大的更密集的连接。相关研究结果发表在2018年4月26日的Science期刊上,论文标题为“Interregional synaptic maps among engram cells underlie memory formation”。

科学家们长期以来一直试图理解大脑在何处和如何储存记忆。在20世纪初,德国科学家Richard Semon创造了术语“印迹(engram)”来描述大脑中记忆的物理表征。随后,在20世纪40年代,加拿大心理学家Donald Hebb提出当神经元编码记忆以及在共活化记忆或印迹之 间形成的连接(也被称作突触)时,神经元就得到强化了---这一理论被广泛地转述为“一起放电的神经元连接在一起(fire together, wire together)”。这两种观点已成为记忆研究的基石---并且在它们首次出现后的几十年中,科学家们已经积累了大量支持它们的 证据。

韩国首尔国立大学神经科学家Bong-Kiun Kaang说,“Donald Hebb提出储存记忆的关键部分不是印迹细胞(engram cell),而且印迹细胞之间形成的突触。”不过,他补充道,尽管很多间接证据表明突触形成过程是记忆形成的基础,比如证实长时程增强(long-term potentiation,即两个同时活化的神经元之间形成增强的连接的过程)的研究,但是缺乏直接证据。

在这项研究中,Kaang和他的团队首次将这种重组DNA注射到小鼠的海马体(参与记忆形成的一个关键的大脑区域)中。随后,他们利用恐惧条件反射实验教导这些小鼠将特定环境与电击相关联在一起。

当在显微镜下研究这些小鼠的大脑时,这些研究人员观察到印迹细胞之间形成的突触得到强化。印迹细胞之间的树突(一种神经元投射,突触就是在树突上形成的)要比印迹细胞与非印迹细胞或两个非非印迹细胞之间的那些树突更为密集和更大。此外,当他们对接受较 弱电击的小鼠和接受较强电击的小鼠进行比较时,他们发现在接受更强电击的小鼠中,突触连接变得更强。

5.Science:动力蛋白活动的不对称分布和构象转换驱动纤毛运动
doi:10.1126/science.aar1968


运动性的纤毛和鞭毛是毛状的细胞附属物,能够促进单个细胞或液体穿过组织,比如在呼吸道中发现的纤毛。它们在节奏性振荡中如何移动的问题令科学家们困惑不已了几个世纪。Jianfeng Lin和Daniela Nicastro使用低温电子断层扫描(cryo-ET)来观察单个动力蛋白 (dynein)马达在跳动的鞭毛内的活动状态。他们观察到动力蛋白活动的不对称分布,以及活动的鞭毛相对边之间的动力蛋白和它们的调节物构象的转换。这些结果证实了这个流行的“转换点”假说的转换观点,但是纠正关于动力蛋白如何协调驱动鞭毛运动的观点。

6.Science:揭示富马酸二甲酯调节免疫反应机制
doi:10.1126/science.aan4665; doi:10.1126/science.aat4984


富马酸二甲酯(dimethyl fumarate, DMF)是一种用于治疗多发性硬化症和牛皮癣的免疫调节化合物,但是它的作用机制仅部分被理解。Michael D. Kornberg等人发现DMF和它的代谢产物富马酸单甲酯(monomethyl fumarate)使得糖酵解酶GAPDH发生琥珀酸化修饰。在接受DMF处理后,GAPDH失活,而且有氧糖酵解在髓样细胞和淋巴样细胞中均下调。鉴于炎性免疫细胞亚群需要有氧糖酵解,这会导致下调的免疫反应。 因此,代谢能够作为自身免疫性疾病的一种有效的治疗靶点。(生物谷 Bioon.com)

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