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2018年10月Science期刊不得不看的亮点研究

来源:本站原创 2018-10-31 23:59

2018年10月31日/生物谷BIOON/---2018年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.Science:重磅!发现神经元血压传感器的真身竟是离子通道PIEZO1和PIEZO2
doi:10.1126/science.aau6324; doi:10.1126/science.aav3495


张力敏感性的压力感受器神经元(stretch-sensitive baroreceptor neuron)的激活对心率和血压进行急性控制。虽然这种稳态压力反射(homeostatic baroreflex)已被描述了80多年,但是这种压力感受器的机械敏感性的分子身份仍然是未知的。

在一项新的研究中,来自美国斯克里普斯研究所和哈佛医学院的研究人员发现机械敏感性的离子通道PIEZO1和PIEZO2一起是压力感受是所必需的。这两种离子通道是自主神经系统中感觉神经元的血压传感器,其中这些感觉神经元触发感受器反射,即一种有助于保持血压稳定的稳态机制。鉴定出这种压力感受反应的分子身份可能有助阐明动脉压力感受器在维持血压正常(normotension)中的作用,并且可能有助开发治疗心力衰竭的新药物。相关研究结果发表在2018年10月26日的Science期刊上,论文标题为“PIEZOs mediate neuronal sensing of blood pressure and the baroreceptor reflex”。
PIEZO1和PIEZO2是在肺部、膀胱和皮肤中高度表达的机械敏感性离子通道。这些研究人员发现这两种离子通道也在神经节细胞复合体中的感觉神经元中表达。条件性双敲除小鼠结状感觉神经节(nodose sensory ganglia)和岩感觉神经节(petrosal sensory ganglia)中的PIEZO1和PIEZO2破坏了这些小鼠的药物诱导性压力反射、主动脉减压神经(aortic depressor nerve)活动和心率。清醒的缺乏PIEZO1和PIEZO2的小鼠具有不稳定的血压和增加的血压波动性。这些变化就与失去压力感受器神经支配的动物和存在压力感受器功能障碍的人类患者中的表型相一致。在小鼠中,通过光遗传学手段选择性激活表达Piezo2的神经节感觉神经元就足以引发小鼠中的压力反射,即导致心率和血压立即上升。

2.Science:重大进展!开发出一种阻断癌症免疫抑制的新方法
doi:10.1126/science.aau2909


在一项新的研究中,比利时研究人员阐明了细胞表面上的一种抑制免疫反应的蛋白复合物的三维结构。他们也发现了抗体如何能够阻断这种蛋白复合物以及它在下游诱导的免疫抑制。这样的抗体可能用于激活免疫反应来抵抗癌症患者中的肿瘤细胞,从而触发免疫细胞破坏肿瘤。相关研究结果于2018年10月25日在线发表在Science期刊上,论文标题为“Structural basis of latent TGF-β1 presentation and activation by GARP on human regulatory T cells”。

调节性T细胞(regulatory T cell, Treg)是免疫抑制细胞,在正常情形下抵抗体内的过度免疫反应来阻止自身免疫疾病。但是在癌症患者中,它们通过抑制抵抗肿瘤细胞的免疫反应而发挥着有害的作用。Treg细胞通过产生一种称为TGF-β的信使蛋白来发挥它们的作用。这种信使蛋白将抑制性信号传递给附近的免疫细胞,特别是那些应当会破坏癌症患者中肿瘤的免疫细胞。Treg细胞产生TGF-β的方式是复杂的,并且受到精细调节,这是因为TGF-β是非常有效的,必须受到严格控制。三年前,比利时鲁汶大学德杜夫研究所(de Duve Institute of the UCLouvain)的Sophie Lucas教授和她的研究团队发现TGF-β是Treg细胞从Treg细胞表面上存在的一种名为GARP的蛋白上释放出来的。通过与比利时生物科技公司argenx 合作,Lucas团队还发现利用特异性抗体阻断TGF-β从GARP上释放出来是可能的。

为了解决这些问题,Lucas团队和argenx公司与比利时弗兰德斯生物技术研究所(VIB)-根特大学(UGent)炎症研究中心的Savvas Savvides教授及其团队合作,解析出一种由GARP和TGF-β组装在一起的蛋白复合物的三维结构。Savvides说,“我们发现GARP的结构类似于马蹄铁,TGF-β跨坐在这种马蹄形结构上。这两个分子是如此复杂地组装在一起以至于TGF-β本身有助于促进GARP的马蹄形结构形成。在这种蛋白复合物中,这种阻断抗体结合到GARP和TGF-β上。它似乎将这两个蛋白分子粘合在一起,从而确保当其他的分子拉动这个蛋白复合物中的一部分时,TGF-β中的较小的活性部分不会被释放,因而阻止它传递它的抑制信息。”

3.Science:重大突破!揭示一种新的炎症控制机制
doi:10.1126/science.aan8423; doi:10.1126/science.aav3477


在遭受感染或组织损伤后,炎症性免疫反应攻击这种感染并修复受损组织。然而,有时过量的炎症会产生相反的效果:在一种称为免疫病理反应(immunopathology)的过程中,这会增加组织损伤。如今,在一项新的研究中,来自西班牙国家心血管病研究中心(Centro Nacional de Investigaciones Cardiovasculares, CNIC)的研究人员发现了一种新的炎症控制机制,它展示了如何控制由这种炎症性免疫反应造成的组织损伤。相关研究结果发表在2018年10月19日的Science期刊上,论文标题为“DNGR-1 in dendritic cells limits tissue damage by dampening neutrophil recruitment”。论文通信作者为西班牙国家心血管病研究中心的David Sancho和Carlos del Fresno。
图片来自Science, doi:10.1126/science.aan8423。

Sancho说,“首批到达感染或炎症部位的免疫细胞是中性粒细胞,而且这些细胞的任务是消除这个问题的根源。然而,中性粒细胞非常具有破坏性,不仅作用于传染性病原体,而且也破坏受损组织。由我们自己的防御系统造成的这种组织损伤称为免疫病理反应。因此,理解我们的免疫系统如何能够控制中性粒细胞炎症反应从而阻止它破坏我们自己的组织是很重要的。这项新的研究证实中性粒细胞浸润到组织中是由树突细胞控制着的。这些树突细胞在指导T淋巴细胞的特异性反应中发挥重要作用是众所周知的。这项新的研究表明,树突细胞调节中性粒细胞浸润有助于避免过度的组织损伤。”

del Fresno说,“树突细胞通过释放趋化因子Mip-2等因子吸引中性粒细胞进入炎性病灶(inflammatory focus)。与此同时,这些树突细胞也表达表面受体DNGR-1。这种细胞表面分子通过识别仅在细胞遭受损伤或发生“破裂”时才能接触到的细胞成分来检测组织损伤。当DNGR-1检测到受损组织时,它会降低树突细胞产生Mip-2的能力,从而限制中性粒细胞浸润到受损器官中。这种机制阻止可能危及生命的组织损伤扩大。”

4.Science:重磅!发现迄今为止最小的功能性CRISPR系统---CRISPR-Cas14
doi:10.1126/science.aav4294


一群古老的包含地球上一些最小生命形式的微生物也拥有迄今为止发现的最小的CRISPR基因编辑系统。在这种基因编辑系统中,一种称为Cas14的蛋白与Cas9存在着亲缘关系,但在大小上仅为后者的三分之一。Cas9是革命性基因编辑工具CRISPR-Cas9中的一个发挥作用的蛋白组分。

虽然Cas9是从细菌中分离出来的,但是Cas14是在一群古细菌---细菌的原始亲属---的基因组中发现的。Cas9和其他的Cas蛋白是细菌进化出来的保护自己免受病毒入侵的防御系统的一部分。作为靶向酶,它们非常有选择性地寻找和结合细菌中的特定DNA或RNA序列,即那些与CRISPR记忆库中储存的序列相匹配的DNA或RNA序列,随后切割这种DNA或RNA序列,从而阻止新的病毒入侵者。与Cas9一样,Cas14具有作为生物技术工具的潜力。由于具有较小的体积,Cas14可能用于编辑小细胞或某些病毒中的基因。不过鉴于它的单链DNA切割活性,它更有可能改善目前正在开发的用于快速诊断传染病、基因突变和癌症的CRISPR诊断系统。

Cas14与Cas12和Cas13相类似,这是因为在结合到它的靶DNA序列上后,它开始不加选择地切割细胞内的所有单链DNA。相反,Cas9仅结合并切割靶双链DNA。不加选择地切割单链DNA可能是治疗中的一种缺点,但在诊断方面具有很大的优势。Cas14蛋白可与附着在单链DNA片段上的荧光标记物组合使用。当Cas14与它的靶DNA序列(一种癌基因或传染性细菌中的一种基因)结合并开始切割DNA时,它也会切割与这种荧光标记物连接在一起的单链DNA片段,从而产生荧光信号。

作为Harrington的一名同事,Janice Chen补充道,“Cas14以比Cas12更特异性的方式靶向单链DNA。这真地是一个非常意外的发现。这是因为它太小了,我们几乎认为它无法发挥作用,但是实际上,它是超级特异性的,这使得它成为诊断工具箱的一个非常强大的补充。

” Harrington、Chen及其同事们(包括CRISPR-Cas9发明人、加州大学伯克利分校分子与细胞生物学教授Jennifer Doudna),已对Cas14进行改进,使得它能够用于当前使用Cas12和Cas13快速检测传染性生物和基因突变存在的诊断系统(称为DETECTR)之中(Science, Published Online: 15 Feb 2018, doi:10.1126/science.aar6245)。Harrington、Doudna和Chen是一家名为Mammoth Biosciences的公司的联合创始人,该公司正在将DETECTR商业化。

5.Science:在一生当中,突变细胞都存在于人食道中
doi:10.1126/science.aau3879


在一项新的研究中,来自英国剑桥大学的研究人员发现当我们步入中年时,在健康人中一半以上的食道被携带着癌基因突变的细胞接管。通过研究正常的食道组织,他们揭示了随着年龄的增长,一个隐藏的突变和进化世界。这些结果展示了在一生当中突变细胞如何发生突变和相互竞争,而且仅最适合的突变细胞存活下来。相关研究结果于2018年10月18日在线发表在Science期刊上,论文标题为“Somatic mutant clones colonize the human esophagus with age”。

这些研究人员有史以来第一次发现,平均而言,在20多岁的人群中,食道中的每个健康细胞携带着至少有数百个突变,而在生命后期时,每个细胞携带的突变上升到2000个以上。然而,仅十几个基因中发生的突变似乎很重要,这是因为这些突变赋予细胞竞争优势让它们能够接管食道组织并形成密集的突变细胞混合物。

6.Science:重磅!发现第三种迄今为止最为有效的细菌抗生素耐药性获得途径---侧向转导
doi:10.1126/science.aat5867; doi:10.1126/science.aav1723


噬菌体是感染细菌并寄生在它们内部的病毒。这些噬菌体能够通过一种称为遗传转导(genetic transduction)的过程将DNA从一个细菌转移到另一个细菌中。这被认为是细菌进化和获得抗生素耐药性和毒力因子的主要手段,其中这些毒力因子加快新的和致病性逐渐增加的菌株出现。到目前为止,人们已经知道两种遗传转导机制:普遍性转导(generalized transduction)和特异性转导(specialized transduction, 也称局限性转导)。60多年来,自从美国科学家和诺贝尔奖获得者Joshua Lederberg发现这两种机制以来,它们一直是遗传转导的唯一机制。

在一项新的研究中,来自新加坡国立大学、苏格兰格拉斯哥大学、苏格兰爱丁堡大学和西班牙埃雷拉红衣主教大学的研究人员发现了第三种遗传转导模式。这种称为侧向转导(lateral transduction,也称横向转导)的新模式似乎是迄今发现的最有效的转导手段,能够在极高的频率下将大片段细菌染色体(长几十万个碱基)在细菌之间转移。相关研究结果发表在2018年10月12日的Science期刊上,论文标题为“Genome hypermobility by lateral transduction”。论文通信作者为格拉斯哥大学的José R. Penadés和新加坡国立大学的John Chen。

当噬菌体感染细菌细胞时,它通常以两种方式之一进行繁殖:(1)溶菌周期(lytic cycle),在此期间,噬菌体繁殖并裂解细菌细胞,从而导致新的噬菌体颗粒释放;或者(2)溶原周期(lysogenic cycle),在此期间,噬菌体DNA整合到宿主基因组中并与宿主基因组一起复制。在溶原周期中,某些刺激能够触发噬菌体DNA将其自身从宿主基因组中切除下来,与蛋白一起包装成新的噬菌体颗粒,经历成熟后裂解宿主细胞。溶菌周期和溶原周期中释放出来的噬菌体随后能够感染其他的细菌并转移它们的DNA(除了噬菌体自身的DNA外,也包括来自宿主细胞的DNA)。

相比之下,在这项新的研究中,这些研究人员发现,当噬菌体在它们的生命周期后期延迟切除时,侧向转导就会发生。在这种情形下,噬菌体启动DNA复制,同时它们仍然是宿主基因组的一部分,这会导致多个整合在宿主基因组中的噬菌体基因组出现。随后DNA包装能够在一些噬菌体基因组上启动,从而导致细菌染色体DNA包装和转移到其他细菌,而其他的噬菌体基因组从宿主基因组中切除下来并导致正常的噬菌体成熟。

7.Science:重大发现!前列腺和肺部中的小细胞癌竟是由相同的机制导致的
doi:10.1126/science.aat5749; doi:10.1126/science.aav1044


对治疗产生抗药性的癌症通常会发展为小细胞癌---也称为小细胞神经内分泌癌(small cell neuroendocrine carcinoma, SCNC),它们具有非常差的预后。某些癌症能够通过改变细胞类型部分地逃避治疗,比如,从侵袭性腺癌发展到小细胞癌。

在一项新的研究中,为了研究这些不同组织中的小细胞癌之间存在的潜在相似性,来自美国加州大学洛杉矶分校等研究机构的研究人员首先将携带着5种基因(统称为PARCB)的人前列腺细胞移植到小鼠体内。当这些人前列腺细胞在小鼠体内生长时,它们表现出人SCNC的 独特特征。相关研究结果发表在2018年10月5日的Science期刊上,论文标题为“Reprogramming normal human epithelial tissues to a common, lethal neuroendocrine cancer lineage”。

这些研究人员还鉴定出当PARCB被导入时,为了让SCNC在前列腺中产生,两种已知阻止正常细胞转化为癌细胞的肿瘤抑制基因---TP53和RB1---必须同时失活。进一步的测试证实携带着PARCB的SCNC细胞(PARCB-SCNC细胞)与来自人体的小细胞前列腺癌(small cell prostate cancer, SCPC)细胞存在着显著的类似性。特别地,RNA表达以及某些基因的开启和关闭几乎是完全一样的。

这些研究人员还研究了大型的基因表达数据库,以便将他们的PARCB-SCNC细胞的基因表达模式与其他器官中的癌症进行比较。他们发现PARCB-SCNC细胞的基因表达模式非常类似于SCPC和小细胞肺癌(small cell lung cancer, SCLC)。接下来,他们测试了PARCB基因是否 能够将来自人肺部的健康细胞转化为SCLC,结果他们发现它们能够做到这一点。

8.Science:利用单细胞分析揭示蝾螈再生肢体机制
doi:10.1126/science.aaq0681


美西螈的肢体由许多不同的细胞类型组成,这些细胞类型源自神经细胞谱系、肌源性细胞谱系、表皮细胞谱系和结缔组织(connective tissue, CT)细胞谱系。肢体截肢后,来自截肢平面附近的细胞聚集在一个称为芽基(blastema)的独特组织中,芽基起着作为再生新肢体的祖细胞来源的作用。

在一种转基因美西螈品系中,不同的成体细胞类型的后代能够在再生过程中被标记、追踪和分离出来,这就为理解特定的细胞谱系在芽基形成和随后的肢体再生期间是如何发育的提供了机会。将转基因美西螈品系与单细胞RNA测序(scRNA-seq)相结合能够追踪单个细胞类型,以及重建这些特定的细胞谱系的再生过程背后的分子步骤。
图片来自Science, doi:10.1126/science.aaq0681。

作为侧板中胚层(lateral plate mesoderm)的后代,CT细胞是最为丰富的细胞谱系,有助于促进芽基产生,并且包围着骨骼和软骨、肌腱、骨骼外周(periskeleton)以及真皮成纤维细胞和间质成纤维细胞。这些细胞检测截肢部位所在的位置,导致适当的肢体部分再生,从而使得CT细胞成为破译和理解再生分子程序的关键细胞谱系。

在一项新的研究中,德国研究人员采用一种诱导型Cre-loxP荧光系统建立遗传标记的转基因美西螈品系用于分离成体肢体组织中的CT细胞和芽基中的CT细胞后代。他们利用scRNA-seq沿着芽基形成和再生胳膊长出的密集时间过程以及胚胎肢体的发育阶段对CT细胞进行分子分析。这种分子分析表明CT细胞表达一进入诱导再生时就失去的成体表型。这种源自CT细胞的异质细胞群体会聚到一种均匀而又短暂的芽基祖细胞状态,这种状态在后面的阶段能够重现胚胎肢体出芽样程序。相关研究结果发表在2018年10月26日的Science期刊上,论文标题为“Single-cell analysis uncovers convergence of cell identities during axolotl limb regeneration”。

通过使用高通量单细胞转录组学分析和一种基于美西螈的脑彩虹克隆谱系追踪技术,这些研究人员能够在再生的最后阶段追踪CT细胞谱系的再分化轨迹。这些发现确立了多能骨骼祖细胞(multipotent skeletal progenitor cell)的形成,而这些多能骨骼祖细胞导致肌腱、韧带、骨骼、骨骼外周和成纤维细胞产生。

9.Science:重大进展!人类原发性癌症染色质可接近性图谱揭示DNA-蛋白结合与癌症发生存在着关联
doi:10.1126/science.aav1898; doi:10.1126/science.aav3494


癌症基因组图谱(The Cancer Genome Atlas, TCGA)是一个全球联盟,旨在加速对癌症分子基础的理解。TCGA系统性地收集了来自原发性人类癌症组织的DNA突变、甲基化、RNA表达和其他的综合数据集。TCGA已成为鉴定基因组畸变、发生变化的转录网络和癌症亚型的宝贵资源。尽管如此,这些肿瘤基因调控景观(gene regulatory landscape)在很大程度上是通过间接手段推断出来的。

活性DNA调节元件的一种特征是染色质可接近性(chromatin accessibility, 也译作染色质可访问性)。真核基因组在染色质中被压缩,其中染色质是由DNA和蛋白形成的复合物,仅活性DNA调节元件才能通过细胞中的转录因子等分子机器访问到。一种称为ATAC-seq(Assay for Transposase Accessible Chromatin with high-throughput sequencing, 即通过高通量测序对转座酶可接近性染色质进行测定)的技术能够通过使用在可接近的染色质位点上插入适配序列(adapter)的转座酶来定量确定DNA可接近性。ATAC-seq能够在全基因组范围内分析协调基因表达程序并赋予细胞身份的转录因子结合事件。

在一项新的研究中,来自美国、巴西和加拿大的研究人员产生了来自TCGA的410种肿瘤样品的高质量ATAC-seq数据,鉴定出13种癌症类型的不同基因调控景观。相关研究结果发表在2018年10月26日的Science期刊上,论文标题为“The chromatin accessibility landscape of primary human cancers”。

这些染色质可接近性图谱识别癌症特异性的和组织特异性的DNA调节元件,从而使得对肿瘤亚型进行分类具有新认识到的预后重要性。基于推断的TF-DNA相互作用模式和基因表达模式的差异,这些研究人员鉴定了癌症中不同的转录因子活性。基因表达和染色质可接近性的全基因组相关性预测了远端调节元件和基因启动子之间可能存在的数万个相互作用,包括癌症免疫疗法中的关键癌基因和靶标,比如MYC、SRC、BCL2和PDL1。再者,这些调节性的相互作用可告知已知的与癌症易感性相关的遗传风险位点,从而找出许多癌症相关遗传变异体的生化机制和靶基因。最后,将全基因组测序与突变谱分析结合在一起就可鉴定出与基因表达改变相关的癌症相关非编码突变。位于FGD4基因(编码一种调节肌动蛋白细胞骨架的蛋白)上游12kb处的单碱基突变产生NKX转录因子的一个推定的新结合位点,并且与染色质可接近性的增加和FGD4基因表达的同时增加存在关联。

10.Science:哺乳动物肠道微生物组竟能代代相传
doi:10.1126/science.aat7164


在一项新的研究中,来自美国加州大学伯克利分校的研究人员发现定植在小鼠肠道中的细菌主要来自它们的母鼠,而且它们的肠道微生物组(microbiome)组成在多代中几乎保持不变。相关研究结果发表在2018年10月26日的Science期刊上,论文标题为“Transmission modes of the mammalian gut microbiota”。
为了更多地了解小鼠肠道生物群落(biome),这些研究人员在美国亚利桑那州和加拿大的两个地方捕获了17只小鼠。他们随后在他们的实验室里为这些小鼠设置住处---来自其中的一个地方的小鼠与来自另一个地方的小鼠保持分开。他们允许这些小鼠交配并产生后代,在此之后,这些小鼠后代也被允许产生它们自己的后代。这持续了三年,产生了11代老鼠。在此过程中,他们采集了它们的肠道样品,并对这些肠道样品进行基因测试以便鉴定出存在于小鼠肠道中的细菌。

这些研究人员发现小鼠的肠道生物群落保持非常稳定---第11代小鼠的肠道生物群落几乎与第一代小鼠是一样的。他们提出这是肠道生物群落细菌进行代代相传的证据,这是垂直传播(vertical transmission)的一个例子。他们指出,在少数情况下,即新的细菌由未知的外部来源引入到小鼠肠道中,这些新的细菌类型往往会导致疾病。因此,他们提出在肠道中出现的有害细菌可能来自水平来源(horizontal source)。它还支持了一些理论,即哺乳动物及其肠道生物群落以一种导致共生的方式共同进化。他们最后提出,进化理论表明他们的发现可能也适用于人类。(生物谷 Bioon.com)

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