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2019年4月12日Science期刊精华

来源:本站原创 2019-04-21 13:55

2019年4月21日讯/生物谷BIOON/---本周又有一期新的Science期刊(2019年4月12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:揭示为何氯胺酮是一种抗抑郁药
doi:10.1126/science.aat8078; doi:10.1126/science.aax0719


在一项新的研究中,来自日本东京大学、美国斯坦福大学和威尔康乃尔医学院的研究人员在小鼠中鉴定出氯胺酮(ketamine)诱导的大脑相关变化有助于维持与抑郁症有关的行为的缓解,这一发现可能有助于人们开发出促进人类抑郁症持续缓解的干预措施。相关研究结果发表在2019年4月12日的Science期刊上,论文标题为“Sustained rescue of prefrontal circuit dysfunction by antidepressant-induced spine formation”。

为了理解人体中从抑郁症发作到缓解转变背后的机制,这些研究人员在小鼠中研究了与抑郁相关的行为。在小鼠经历应激源之前和之后,他们获得了它们的前额叶皮质中的树突棘(dendritic spine)的高分辨率图像。树突棘是神经元中接收来自其他神经元的通信输入的突起。他们发现相比于没有暴露于应激源中的小鼠,显示出与抑郁有关的行为的小鼠在其前额皮质中的树突棘消除增加了和树突棘形成减少了。这一发现复制了之前开展的将与小鼠中抑郁相关的行为的出现与树突棘损失相关联在一起的研究。

除了对树突棘的影响外,应激还降低了小鼠前额叶皮质中神经元的功能性连接和同时活动。这种连接性和活动性的降低与应对应激源的抑郁症相关行为有关。Liston及其团队随后发现氯胺酮治疗快速恢复了神经元的功能连接和整体活动,并且消除了与抑郁有关的行为。相比于遭受应激但未接受氯胺酮治疗的小鼠,在接受单剂量氯胺酮治疗24小时后,遭受应激的小鼠表现出与抑郁相关的行为逆转和树突棘形成的增加。这些新的树突棘是功能性的,因而与其他神经元建立了工作上的关联性。

这些研究人员发现尽管小鼠的行为改变和神经活动变化发生很快(在接受氯胺酮治疗3小时后),但是树突棘的形成发生得更慢(在氯胺酮治疗12~24小时后)。虽然还需开展进一步的研究,但是他们认为这些发现可能表明树突棘再生是氯胺酮诱导的前额皮质回路活动恢复的结果。

2.Science:新研究发现太空飞行影响人体肠道细菌
doi:10.1126/science.aau8650; doi:10.1126/science.aaw7086


在美国航天局(NASA)标志性的双胞胎研究(Twins Study)中,美国研究人员发现长时间的太空飞行会影响人体肠道微生物组(gut microbiome)。相关研究结果发表在2019年4月12日的Science期刊上,论文标题为“The NASA Twins Study: A multidimensional analysis of a year-long human spaceflight”。

在国际空间站(ISS)长达一年的时间里,宇航员Scott Kelly在他的肠道微生物组中经历了两种主要细菌类型的比例变化。然而,他的肠道微生物组中的细菌多样性在太空飞行期间没有改变,这一发现令这些研究人员倍感鼓舞。

在西北大学开展的这项肠道微生物组研究是发表在2019年4月12日的Science期刊上的一篇综合性论文中的十项研究之一。在这10项研究中,每项研究都探讨了太空飞行如何影响人体的一个方面,包括基因表达、骨密度、免疫系统反应和端粒动力学的变化。

从2015年到2016年,Scott Kelly成为第一位在太空中度过近一整年的美国宇航员。Scott Kelly和他的同卵双胞胎兄弟---一名退役的宇航员--- Mark Kelly参加了由美国宇航局人类研究计划开展的一项前所未有的长达一年的研究。Mark Kelly为地球上的观察结果提供了基线,Scott Kelly在太空中提供了一个类似的测试案例。

这些研究人员研究了Scott Kelly肠道中的细菌组成随着时间和空间的变化而发生的变化。这对双胞胎在Scott Kelly前往太空前、在太空的一年期间和在返回地球后分别收集了后者的两份、四份和三分粪便样本。

90%以上的肠道细菌属于两大类:厚壁菌(Firmicutes)和拟杆菌(Bacteroidetes)。这两种细菌类型都含有有益菌和有害菌。Scott Kelly的肠道微生物组中的厚壁菌和拟杆菌之间的比例在太空飞行期间经历了明显的变化---厚壁菌的数量增加了,而拟杆菌的数量减少了。这种变化是这些研究人员在Scott Kelly的肠道微生物组中观察到的更大的组成变化之一,他的肠道微生物组在返回到地球后恢复正常。

3.Science:中美科学家解析出人甲状旁腺激素受体-1的三维结构
doi:10.1126/science.aav7942


在一项新的研究中,来自中国科学院、浙江大学医学院、复旦大学和美国匹兹堡大学、文安德尔研究所、麻省总医院和哈佛医学院的研究人员构建出一种分子复合物的三维图片,这可能有助于开发出更好地治疗骨质疏松症和癌症但具有更少副作用的药物。这些近原子分辨率图片描述了人甲状旁腺激素受体-1(parathyroid hormone receptor-1, PTH1R)的结构。相关研究结果发表在2019年4月12日的Science期刊上,论文标题为“Structure and dynamics of the active human parathyroid hormone receptor-1”。论文通讯作者为浙江大学医学院的张岩(Yan Zhang)、中国科学院上海药物研究所的王明伟(Ming-Wei Wang)、徐华强(H. Eric Xu)和匹兹堡大学的Jean-Pierre Vilardaga。

PTH1R是一种给细胞传递信号的分子,可与两种关键信使相互作用,其中的一种信使是一种模拟甲状旁腺素(PTH)的分子,可调节体内的钙水平,另一种信使是一种刺激性的G蛋白,可调节骨转换。这种分子复合物是由人PTH1R、PTH模拟物和刺激性的G蛋白组成的。

4.Science:揭示短链脂肪酸触发植物对细菌的免疫反应
doi:10.1126/science.aau1279


与人类和动物一样,植物在免疫系统的帮助下可以抵御病原菌。但是,病原菌如何激活植物的细胞防御?在一项新的研究中,来自德国慕尼黑工业大学(TUM)的研究人员发现植物细胞中的受体通过简单的分子构成单元(building block)识别细菌。相关研究结果发表在2019年4月12日的Science期刊上,论文标题为“Bacterial medium-chain 3-hydroxy fatty acid metabolites trigger immunity in Arabidopsis plants”。

论文通讯作者、慕尼黑工业大学植物病理学主席Stefanie Ranf博士说,“植物的免疫系统要比我们想象的复杂得多。”Ranf与一个国际研究团队一起发现了激活植物免疫防御的物质。

在此之前,科学家们一直认为植物细胞---类似于人类和动物细胞---通过复杂的分子化合物(比如来自细菌细胞壁)识别细菌。特别地,作为由脂肪样部分和糖分子组成的分子,脂多糖(LPS)被怀疑引发免疫反应。2015年,Ranf及其团队已成功鉴定出它的受体蛋白LORE(lipo-oligosaccharide-specific reduced elicitation)。所有实验都已表明当LORE蛋白检测到来自某些细菌细胞壁的LPS分子时,它会激活植物细胞的免疫系统。

这些研究人员发现,仅含有某些短链脂肪酸成分的LPS样品才能引发植物免疫防御。令人惊讶的是,他们在所有这些活性LPS样品中发现了极强粘附性的游离脂肪酸分子。经过数月的实验,他们才能将这些游离脂肪酸与LPS分离开来。Ranf说,“当我们最终成功地产生高度纯化的LPS时,很明显的是,植物细胞根本没有对它们产生反应!因此,很明显的是,这种免疫反应并不是由LPS触发,而是由这些短链脂肪酸触发。

5.Science:意外!甲状腺激素让我们失去心脏再生能力
doi:10.1126/science.aar2038; doi:10.1126/science.aax1006


尽管在美国每年发生的73.5万起心脏病发作中,大多数患者都存活了下来,但是与体内许多其他细胞不同的是,心脏细胞一旦遭受损伤,就不能够再生。在一项新的研究中,来自美国、澳大利亚和法国的研究人员发现,这个问题可追溯到我们最早的哺乳动物祖先,这些哺乳动物祖先可能失去了再生心脏组织的能力来换取温血状态(endothermy,也译作温血性),这是一场浮士德式的进化交易,它开启了哺乳动物时代,但却让现代人在心脏病发作后容易受到无法弥补的组织损伤。相关研究结果于2019年3月7日在线发表在Science期刊上,论文标题为“Evidence for hormonal control of heart regenerative capacity during endothermy acquisition”。

甲状腺产生一对经过充分研究的激素,已知这些激素可调节体温、代谢率和正常的心脏功能。鉴于这些激素在促进热量产生以维持体温方面发挥着关键作用,因此它们被认为是从冷血到温血的进化过渡背后的驱动力。但是,这项新的研究表明,这些激素也有助于关闭心脏细胞分裂,从而阻止心脏组织在遭受损伤后自行修复。这一发现首次证实甲状腺激素、心脏发育和修复以及温血进化之间的关联性。

Huang团队采用一种多物种方法,比较了41种不同脊椎动物物种中的心脏细胞“倍性(ploidy)”---细胞中每对染色体的拷贝数。倍性与细胞分裂和复制的能力密切相关。事实上,所有活跃分裂的动物细胞都是二倍体,每对染色体仅有一对,在每对染色体中,一个来自母本,另一个来自父本。相反,多倍体细胞含有每对染色体的多个拷贝并且通常不能分裂。

这种比较方法揭示了倍性与体温之间存在明显的关联性。冷血动物---鱼类、两栖动物和爬行动物---的心脏细胞主要是二倍体,并通过加快细胞分裂对心脏损伤作出反应。温血哺乳动物的心脏细胞主要是多倍体,而且实验室实验证实这些细胞很少因心脏损伤而发生分裂。

Huang说,“这导致我们猜测这些负责调解体温的甲状腺激素也可能负责二倍体-多倍体转变和心肌细胞停滞。”这些研究人员在一系列的实验室实验中证实了他们的猜测。这些实验涉及小鼠和斑马鱼,其中小鼠是一种心脏细胞通常无法再生的温血哺乳动物,而斑马鱼是一种冷血动物,因能够完全修复它的心脏而闻名,即便通过外科手术切除一大部分---高达20%,也是如此。

6.Science:糖基化控制着免疫原性的鞭毛蛋白片段释放
doi:10.1126/science.aav0748


植物产生识别微生物鞭毛蛋白片段(即鞭毛蛋白肽)的受体,从而监测细菌的感染。Buscaill等人研究了鞭毛蛋白肽如何被宿主糖苷酶识别,其中鞭毛蛋白肽会触发免疫反应,鞭毛蛋白肽发生糖基化修饰后会阻止免疫反应的产生,而宿主糖苷酶能够降解鞭毛蛋白肽携带的糖基化修饰。病原体接着就通过改变鞭毛蛋白糖基化和抑制宿主糖苷酶来逃避免疫检测。植物抵抗感染的这一方面在质外体(apoplast)---植物组织内的胞外空间---中发挥作用。

7.Science:改进的化学遗传学激动剂
doi:10.1126/science.aav5282


将配体响应性受体靶向特定细胞群,即一种称为化学遗传学(chemogenetics)的策略,是许多神经学应用中的一种强有力的工具。人们越来越专注于将这些工具加以拓展,以便用于人体治疗。Magnus等人设计出化学遗传学离子通道,这改善了目前可用的系统,并且可被临床使用的抗吸烟药物伐尼克兰(varenicline)激活。他们设计了一个对内源性信号反应较弱的配体结合域,并鉴定出在纳摩尔浓度下起作用的激动剂。药物和这种化学遗传学离子通道的组合使用可让神经元短暂沉默,并且在脑部给药后诱导动物模型中的行为发生改变。

8.Science:生态系统感知战争的影响
doi:10.1126/science.aau3561

战争摧毁了人类的生命和景观,但非人类的受害者受到的影响也不小。 莫桑比克内战导致戈龙戈萨国家公园(Gorongosa National Park)的捕食者迅速减少,并导致一种改变了猎物行为和植物群落的营养级联(trophic cascade)。Atkins等人监测了这一转变,发现野狗和豹子的缺失导致羚羊对栖息地使用和植物消耗的变化。实验进一步表明,当引入捕食者活动的迹象时,猎物行为的变化是可逆的,这就支持捕食者丧失的影响。这些结果证实了在其他地方出现的模式,并进一步提供了关于猎物动物所感知的“恐惧景观”重要性的机制细节。

9.Science:由授粉和食草相互作用驱动的植物快速进化
doi:10.1126/science.aav6962; doi:10.1126/science.aax1656


许多植物依靠动物传粉者传播花粉并增加其后代的遗传多样性。然而,这也存在着权衡取舍,这是因为吸引传粉者也可能吸引食草动物,并且阻止捕食可能会减少开花式样。Ramos和Schiestl研究几代芸苔属植物的交配系统、花和化学防御之间的相互作用。只有在八代之后才能观察到由授粉和食草驱动的进化,这表明权衡取舍具有巨大的进化后果。

10.Science:在血管形态发生过程中,去泛素化酶USP10微调Notch信号传导
doi:10.1126/science.aat0778


血管的分支形成部分上通过Notch受体蛋白的信号传导来加以控制。当NOTCH1结合它的配体DLL4时,细胞内结构域(NICD1)从这种受体上切割下来并与其他蛋白一起调节基因转录。 在体外培养的人细胞中筛选与NICD1相互作用的蛋白的过程中,Lim等人鉴定了去泛素化酶USP10。NICD1在细胞中遭受快速泛素化和降解,但是NICD1与USP10的相互作用抵消了NICD1的泛素化并刺激Notch信号传导。在小鼠中开展的遗传实验支持USP10在血管形态发生过程中起着微调Notch信号传导的作用。(生物谷 Bioon.com)

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