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2018年8月17日Science期刊精华

来源:本站原创 2018-08-26 20:12

2018年8月26日/生物谷BIOON/---本周又有一期新的Science期刊(2018年8月17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.Science揭示相分离的神奇功能---让免疫系统保持平衡
doi:10.1126/science.aat1022; doi:10.1126/science.aau6019


在细胞内部,DNA紧密地堆积在细胞核中,刚性的蛋白保持复杂的运输系统在运转,一些分子有更简单的方法来建立秩序。它们能够自我组装,在拥挤的空间中找到彼此,并快速地凝聚成液滴(droplet),就水中的油那样。

在一项新的研究中,由美国霍华德休斯医学研究所(HHMI)研究员Zhijian Chen领导的一个研究小组发现一种感知危险的酶的液滴会产生启动免疫反应的信号。相关研究结果发表在2018年8月17日的Science期刊上,论文标题为“DNA-induced liquid phase condensation of cGAS activates innate immune signaling”。

这些液滴的形成是一种被称为相分离(phase separation)的现象。在过去的十年中,生物学家们已观察到蛋白和RNA分子在试管中快速地将自组装成液滴,并且在细胞内发现了液体状液滴(liquid-like droplet)。 在美国德克萨斯大学西南医学中心,Chen对液滴的研究有助于解释了一个不同的难题:一种感知DNA的酶如何提醒免疫系统感染的存在。这种酶是环状GMP-AMP合酶(cyclic GMP-AMP synthase, cGAS)。2012年,Chen实验室首先发现它。

这种酶漂浮在细胞质中,在遇到DNA时会被活化。鉴于细胞自身的基因位于细胞核和线粒体中,细胞质中的DNA是一种表明出现问题(通常是病原体的存在)的信号。cGAS通过产生cGAMP作出反应,而cGAMP作是一种信使分子,能够召唤身体的第一道防线---先天性免疫系统 ---来对抗可疑的威胁。

这种酶的行为的一些奇怪之处起初是很难解释的。比如,为何长片段DNA比短片段DNA更加有效地激活它?一条线索来自于密集的斑纹(concentrated speckle):Chen和他的同事们已观察到这种酶当与DNA结合在一起时会在细胞内形成这些密集的斑纹。他们认为,这种酶 可能正在经历相分离。

果然,当研究生Mingjian Du在试管中将cGAS和DNA混合在一起时,他观察到了特征性的液体行为。这种酶当与DNA结合在一起时会形成致密的液滴,而且这种酶分子从一个液滴扩散到下一个液滴,偶尔两个液滴会合并为一个。Chen说,“我们怀猜测这种情况可能会发生, 但当你观察到它以一种如此高效的方式发生时,这是非常引人注目的。”

Du的实验确定这种酶仅在DNA存在下形成液滴。Chen说,这些液滴对病原体感知是至关重要的---它们似乎充当微反应器的作用,将这种酶与产生免疫激活的信使分子所需的一切结合在一起。较长的DNA片段比短DNA片段更能促进液滴形成。

2.Science:自闭症与卵细胞不能产生较大的蛋白存在关联
doi:10.1126/science.aas9963; doi:10.1126/science.aau6450


我们的遗传信息存储在DNA分子中,而DNA分子被紧密地包裹在每个细胞的细胞核中。细胞将DNA转录为RNA,RNA随后经翻译后产生蛋白。在大多数情况下,这些步骤---从DNA到RNA的转录和从RNA到蛋白的翻译---快速地连续发生。然而,在一些高度特化的细胞(包括神经 元和卵细胞)中,必须将先产生的RNA储存起来以备将来使用。

在一项新的研究中,来自美国卡内基科学研究所的Ethan Greenblatt和Allan Spradling揭示出导致脆性X综合征(fragile X syndrome)和潜在其他的自闭症相关疾病的遗传因素都源于细胞产生异常大的蛋白结构的能力存在缺陷。相关研究结果发表在2018年8月17日的 Science期刊上,论文标题为“Fragile X mental retardation 1 gene enhances the translation of large autism-related proteins”。

之前的研究已提出Fmr1阻止这些储存的RNA分子过量产生新的蛋白。但是鉴于之前的很多研究是在脑细胞中开展的,对所获得的研究结果加以分析是非常复杂的,因此Greenblatt和Spradling着手通过在一种更加简单的细胞类型---果蝇卵细胞---中研究Fmr1对蛋白制造过 程的影响来解决这个问题。他们发现缺乏Fmr1的卵细胞起初是完全正常的,但是随着时间的推移,它们要比储存的含有正常Fmr1的卵细胞更快地丢失功能,这就让人想起人卵巢衰竭综合征。更为重要的是,当受精时,这些缺乏Fmr1的卵细胞产生的后代具有严重的神经系 统缺陷,这就让人想起脆性X综合征。

通过扩展这些分析,Greenblatt和Spradling发现Fmr1发生突变的卵细胞减少数百种蛋白的产生,其中的许多蛋白,如果完全缺失的话,则与自闭症存在关联。

这些受到影响的蛋白的一个共同特点是它们编码了我们体内的一些最大的蛋白。即使在正常的卵细胞中,较大的蛋白(包括受到Fmr1影响的蛋白)也无法有效地产生,这反映了在RNA储存的条件下将非常长的蛋白链串联在一起所面临的挑战。

3.Science:新研究破解Wnt信号特异性之谜
doi:10.1126/science.aat1178; doi:10.1126/science.aau6457


在一项新的研究中,在比利时布鲁塞尔自由大学研究员Benoit Vanhollebeke的领导下,研究人员解决了与Wnt信号特异性相关的一个重要的细胞信号转导谜团。相关研究结果于2018年7月19日在线发表在Science期刊上,论文标题为“A molecular mechanism for Wnt ligand-specific signaling”。

Wnt是一种古老的信号通路,它的进化似乎可追溯到多细胞动物的出现。它在细胞间通信中起着关键作用,并控制着胚胎发育和组织稳态的几个方面。当功能失调时,Wnt信号可能是许多疾病(特别是几种癌症)的起源。鉴于这个信号通路有10个受体和19个配体,而且这 些受体和配体相互识别,因此这个信号通路的复杂性似乎是令人眼花缭乱的。脊椎动物细胞如何设法解释它们遇到的许多Wnt信号并触发足够强的反应?这种解释机制正是这些研究人员刚刚发现的。

之前的研究结果已表明脑内皮细胞表达的两种蛋白---Gpr124和Reck---是对Wnt7配体作出反应的脑血管发育所必需的。这些研究人员接着研究Gpr124/Reck复合物的作用机制。利用遗传实验、生物物理实验和斑马鱼实验,他们证实Gpr124/Reck复合物起着一种解码模块的 作用:Reck识别Wnt7配体,而Gpr124的存在是通过卷曲受体(Frizzled receptor)触发Wnt7信号转导所必需的。

这些发现将使得这些研究人员能够更好地理解Wnt信号和对它的多种调节。这也使得考虑开发新的治疗癌症或神经血管疾病等疾病的方法成为可能。

4.Science:重大发现!mRNA的混合尾巴阻止它过早地遭受降解
doi:10.1126/science.aam5794


细胞通过控制信使RNA(mRNA)降解在任何给定的时间里控制特定蛋白的数量。鉴于mRNA的核苷酸尾巴在这个过程中起作用,在一项新的研究中,来自韩国基础科学研究院(IBS)RNA研究中心的研究人员鉴定出由不同核苷酸组成的混合尾巴(mixed tail)如何保护mRNA在 更长的时间内免受降解。这些发现可能为理解基因调节在健康和疾病状态下的作用提供新的见解。相关研究结果于2018年7月19日在线发表在Science期刊上,论文标题为“Mixed tailing by TENT4A and TENT4B shields mRNA from rapid deadenylation”。

直到最近,mRNA尾巴被认为仅是由数百个被称作腺苷酸(A)的核苷酸组成的,因此通常被称为poly(A)尾巴。特定的酶通过在poly(A)尾巴的末端添加和剪除核苷酸A来延长和缩短这个尾巴:poly(A)聚合酶添加大约200个核苷酸A;脱腺苷化酶(deadenylase),比 如CNOT复合物,从poly(A)尾巴的末端移除核苷酸A,一段时间之后缩短这个尾巴的长度。

2014年,IBS研究人员已发现mRNA尾巴并不限于核苷酸A。他们开发出一种高通量测序方法TAIL-seq,并利用这种方法在全基因组范围内准确地测量poly(A)尾巴的长度。他们发现除了核苷酸A之外,其他核苷酸,如鸟苷酸(G),尿苷酸(U)和胞苷酸(C),也会装饰 mRNA尾巴。人们已在包括人类、小鼠、青蛙和鱼类在内的多种物种中报道了这个混合尾巴的存在。

在当前的这项新的研究中,IBS研究人员发现一些将核苷酸A插入到mRNA尾巴的酶也能够添加核苷酸G、U和C,从而产生一个混合尾巴。特别地,核苷酸转移酶TENT4A/B在延长mRNA尾巴时间歇性地添加核苷酸G。有趣的是,在细胞中,核苷酸G主要位于mRNA尾巴的末端,或者 位于倒数第二个位置。这能够通过以下事实加以解释:修剪poly(A)尾巴的酶在这个尾巴的末端遇到核苷酸G而不是A时停下来。换句话说,这些研究人员发现核苷酸G的添加可能会减慢这个尾巴的修剪速度,从而保护mRNA。

5.两篇Science从经过注释的小麦基因组中获得新的见解
doi:10.1126/science.aar6089; doi:10.1126/science.aar7191


小麦是世界上大部分地区的主要食物来源之一。然而,鉴于面包小麦的基因组是由三个亚基因组(subgenome)杂交融合而成的多倍体基因组,因此人们很难产生高质量的参考序列。 利用最近的测序技术进展,国际小麦基因组测序联盟(International Wheat Genome Sequencing Consortium)提供了一个带注释的参考基因组,并详细分析了各个亚基因组中的基因含量和所有染色体的结构组织。数量性状作图和基于CRISPR的基因组修饰的例子显示了在农业研究和育种中使用这个参考基因组的潜力。Ramírez-González等人利用这一努力 的成果,在发育和遭受应激期间鉴定出组织特异性的偏向基因表达和共表达网络。这些资源将加速我们对面包小麦遗传基础的理解。

6.Science:通过研究蚂蚁群体的筑巢行为有望找到优化交通流量的措施
doi:10.1126/science.aan3891


如果一次有太多的交通流通试图进入或者每个方向的交通流量之间存在竞争,那么狭窄的通道很容易发生堵塞。Aguilar等人研究了蚂蚁筑巢时观察到的集体挖掘。由于工作量分配不均,当蚂蚁集体的一部分不活动时,最佳挖掘率就可实现。数值仿真和机器人蚂蚁的行为 模拟蚂蚁集体的行为。

7.Science:利用三维打印的聚酰胺膜进行脱盐
doi:10.1126/science.aar2122


用于水脱盐的商业反渗透方法使用在油/水界面由聚酰胺聚合形成的膜。Chowdhury等人证实能够用电喷雾技术制造出更薄更光滑的膜。通过使用高电压,将两种前体组分精细地喷涂到基底上并且一经接触,它们聚合在一起。由此形成的膜的组成能够基于这两个组分的比 例加以调节。在最佳条件下,这种膜的脱盐效果似乎比现有的商业反渗透膜更好。

8.Science:害虫利用植物自身的铁收集系统获取铁
doi:10.1126/science.aat4082; doi:10.1126/science.aau6017

植物需要铁作为微量营养元素,并通过分泌螯合剂从根围(rhizosphere)中获取。害虫,如每年造成数百万美元产量损失的西方玉米根虫(western corn rootworm),也需要铁。Hu等人证实西方玉米根虫利用植物自身的铁收集系统来检测它的宿主并为自己夺取铁。植物产生的苯并恶唑嗪酮类化合物(benzoxazinoid compound)不仅用来抵御许多昆虫,而且起着铁螯合剂的作用。西方玉米根虫的幼虫不受苯并恶唑嗪酮类化合物的伤害;相反,这些幼虫将它们的存在视为食物就在附近的信号,并且利用它们作为铁螯合剂。(生物谷 Bioon.com)

往期Science期刊精选:

2018年8月10日Science期刊精华

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