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Cell期刊评选出2019年发表的9篇最佳论文

来源:本站原创 2020-01-13 18:55

2020年1月13日讯/生物谷BIOON/---一年一度的Cell最佳系列终于出炉了。

2020年1月6日,Cell期刊(最新的影响因子为36.216)从2018年年底和2019年发表的论文中评出了9篇“最佳论文”。

它们分别是美国霍华德-休斯医学研究所的Philipp Keller团队开发出新型智能显微镜,在四维水平下观察活鼠中的胚胎发育;利用深度学习从原始序列预测pre-mRNA剪接;中国科大薛天课题组利用纳米技术让哺乳动物能够看到红外线;转录因子通过它们的激活域的相分离能力激活基因;迄今为止最大规模人体微生物组研究揭示出数千种新型微生物物种;开发出新一代免疫检查点抑制剂:NKG2A抗体;开发出DNA显微镜;首次发现阻断CRISPR-Cas9基因组编辑的小分子抑制剂;重建中美洲和南美洲悠久的人口历史。

1.Cell:重大进展!开发出新型智能显微镜,在四维水平下观察活鼠中的胚胎发育
doi:10.1016/j.cell.2018.09.031


在一项新的研究中,美国霍华德-休斯医学研究所珍妮莉亚研究园区物理学家和生物学家Philipp Keller及其同事们采取了一种不同的策略:他们设计了一台能够完成所有工作的智能显微镜。相关研究结果于2018年10月11日在线发表在Cell期刊上,论文标题为“In Toto Imaging and Reconstruction of Post-Implantation Mouse Development at the Single-Cell Level”。
图片来自Cell, doi:10.1016/j.cell.2018.09.031。

在这台智能显微镜的中心,一种清晰的丙烯酸立方体结构容纳着胚胎成像室。两个片光(light sheet)照亮小鼠胚胎,两个摄像头记录图像。这些组件让这些研究人员窥探曾经看不见的早期器官发育世界,以前所未见的高分辨率细节揭示动态事件。这台显微镜的头部配备了一套跟踪胚胎位置和大小的算法。这些算法绘制片光如何在样品中移动,然后找出如何获得最佳图像的方法---保持小鼠胚胎聚焦在视野中并位于视野中间。由于小鼠胚胎在不断变化,这台显微镜必须不断适应,以毫秒为间隔,在数百个不同的时间点上对数百多张图像做出决定。

利用这台智能显微镜,Keller团队如今能够首次窥视活着的小鼠胚胎,观察肠道开始形成,心脏细胞开始尝试第一次跳动。在一个关键的48小时窗口---也就是初级器官开始形成的时间段---里,他们能够追踪每个胚胎细胞并确定它们去向何处,它们开启了哪些基因,以及它们在路上遇到了哪些细胞。

2.Cell:利用深度学习从原始序列预测pre-mRNA剪接
doi:10.1016/j.cell.2018.12.015


外显子组测序(exome sequencing)改变了对患有罕见遗传疾病的患者和家属的临床诊断,但是它对罕见遗传疾病的诊断阳性率大约只有25%~30%,这就使得大部分患者仍未被检出,即便是联合使用外显子组测序和芯片测试也是如此。

基因组中的非编码区域在基因调控中起着非常重要的作用。在针对人类复杂疾病的无偏见全基因组关联研究中发现的90%的致病基因位点(causal disease loci)位于非编码区域。可破坏mRNA正常剪接模式的非编码突变,也称为隐蔽剪接突变(cryptic splice variant),长期以来被认为在罕见遗传疾病中起着重要的作用。但是,隐性剪接突变在临床实践中的作用却一直被忽略,这主要是因为对于剪接密码(splicing code)的理解不够深入,这也使得很难鉴定出它们。
图片来自Cell, doi:10.1016/j.cell.2018.12.015。

近年来,RNA测序(RNA-seq)已经成为检测孟德尔疾病中异常剪接的一种有潜力的测定方法,但迄今为止它在临床环境中的应用仍然局限于相关细胞类型已知且可进行活组织检查的少数病例。对任意前体mRNA(pre-mRNA)序列的剪接的预测可以使得精确预测隐性剪接突变成为可能,从而改善对遗传疾病的诊断。虽然到目前为止,在对核心剪接基序的序列特征进行建模、表征外显子剪接增强子和沉默子以及预测盒式外显子增加(cassette exon inclusion)等特定应用中取得了一定进展,但是从原始序列构建预测性的剪接模型还是很困难。

在一项新的研究中,Kyle Kai-How Farh及其研究团队开发出一个深度神经网络,它可以准确地预测任意pre-mRNA转录本序列的剪接点(splice junction),从而能够精确预测导致隐蔽剪接的非编码突变。相关研究结果近期发表在Cell期刊上,论文标题为“Predicting Splicing from Primary Sequence with Deep Learning”。

具有预测的剪接变化结果的同义突变和内含子突变在RNA-seq上得到了很高的验证,并且在人群中具有极大的危害性。与健康对照相比,具有预测的剪接改变后果的从头突变在自闭症和智力障碍患者中显著富集,并且在28名这些患者中,有21人在RNA-seq上得到了有效验证。

这些研究人员估计在罕见遗传病患者中,9%~11%的致病突变是由这种先前未被充分认识的隐蔽剪接突变引起的。

3.Cell:中国科大薛天课题组利用纳米技术让哺乳动物能够看到红外线
doi:10.1016/j.cell.2019.01.038


在一项新的研究中,中国科学技术大学生命科学与医学部的薛天(Tian Xue)课题组和美国马萨诸塞大学医学院的Gang Han研究团队报道,通过纳米技术增强视力的小鼠能够看见红外光和可见光。在小鼠的眼睛中单次注射纳米颗粒可让它们的红外视觉保持长达10周,副作用最小,即使在白天也可以看到红外光,并具有足够的特异性来区分不同的形状。这些发现可能会导致人类红外视觉技术的进步,包括在民用加密、安全和军事行动中的潜在应用。相关研究结果于2019年2月28日在线发表在Cell期刊上 ,论文标题为“Mammalian Near-Infrared Image Vision through Injectable and Self-Powered Retinal Nanoantennae”。论文第一作者为中国科学技术大学生命科学与医学部的博士生马玉乾(Yuqian Ma)、教授鲍进(Jin Bao)和马萨诸塞大学医学院的Yuanwei Zhang博士。
图片来自Cell, 2019, doi:10.1016/j.cell.2019.01.038。

在这项新的研究中,这些研究人员开发出可在眼睛的现有结构中发挥作用的纳米颗粒。所开发出的纳米颗粒能够仅附着到感光细胞上,起着微小的红外光传感器的作用。当红外光照射到视网膜上时,这些纳米颗粒捕获较长的红外线波长并发射较短的位于可见光范围的波长。附近的视杆细胞和视锥细胞吸收这些较短的波长并向大脑发送正常信号,就像可见光照射到视网膜上一样。

鲍进说,“在我们的实验中,纳米颗粒吸收波长约为980 nm的红外光,并将它转换为在535 nm处达到峰值的光,这就使得这种红外线观看起来像是绿色的光线。”

这些研究人员在小鼠体内测试了这些纳米颗粒,其中与人类一样,小鼠不能自然地看到红外线。接受纳米颗粒注射的小鼠显示出它们检测到红外光的无意识体征,比如它们的瞳孔收缩,而仅注射缓冲液的小鼠对红外光没有反应。

4.Cell:转录因子通过它们的激活域的相分离能力激活基因
doi:10.1016/j.cell.2018.10.042


基因表达受转录因子(TF)的控制,转录因子由DNA结合域(DBD)和激活域(AD)组成。 DBD已得到很好的描述,但是对于AD影响基因激活的机制了解甚少。

在一项新的研究中,来自美国怀特黑德生物医学研究所的研究人员报道,不同的AD与介体辅活化剂(ediator coactivator)形成了相分离的凝聚物。相关研究结果近期发表在Cell期刊上,论文标题为“Transcription Factors Activate Genes through the Phase-Separation Capacity of Their Activation Domains”。

这些研究人员发现转录因子OCT4和GCN4在体外能够与介体形成相分离的液滴,并且它们在体内激活基因的能力取决于相同的氨基酸残基。

他们还发现对雌激素受体(ER)而言,雌激素增强了与介体的相分离,从而再次将相分离与基因激活相关联在一起。

这些结果表明多种转录因子可以通过它们的AD的相分离能力与介体相互作用,并且它们与介体形成的凝聚物参与基因激活。

5.Cell:迄今为止最大规模人体微生物组研究揭示出数千种新型微生物物种
doi:10.1016/j.cell.2019.01.001


在一项新的研究中,来自意大利特兰托大学计算宏基因组学实验室的Nicola Segata、Edoardo Pasolli及其团队创建出一个迄今为止最大规模的普遍存在于世界各地人体中的细菌和古细菌目录。相关研究结果近期发表在Cell期刊上,论文标题为“Extensive Unexplored Human Microbiome Diversity Revealed by Over 150,000 Genomes from Metagenomes Spanning Age, Geography, and Lifestyle”。
图片来自University of Trento。

他的团队研究人体微生物组的方法被称为“计算宏基因组学(computational metagenomics)”:他们通过分析人体微生物组的遗传信息来进行研究。他们从一滴唾液、皮肤拭子或一克粪便中提取样品微生物的总DNA,并对DNA进行高通量测序。利用专门的软件分析所产生的大量遗传数据,以便重建人体微生物组中存在的微生物的基因组。

Segata博士详细介绍了这项新研究的一些方面:“我们的研究结果鉴定出将近5000种微生物物种,重现了15.4万多个新重建的基因组,描述了在不同年龄、身体部位、生活方式和疾病中的人体微生物组。我们每个人都被数百种这样的微生物物种所定植。但是,其中的很大一部分(77%)在之前是未知的。这些微生物物种中的很多都比较少见,但是一些微生物物种非常普遍地存在于世界各地的人群中,对它们的发现是测试它们在自身免疫疾病、胃肠道疾病和肿瘤疾病中的潜在作用的起点。为了获得这些结果,我们分析了一个极其庞大的新获得的可公共访问的微生物组样本数据集,这些微生物组样本涵盖了不同地理、生活方式和年龄的人群。总体而言,我们考虑了9428个已用一种称为宏基因组学的DNA测序技术研究过的人体微生物组样本。”

6.Cell:新研究表明新一代免疫检查点抑制剂呼之欲出
doi:10.1016/j.cell.2018.10.014


在一项新的研究中,来自法国国家科学研究中心等研究机构的研究人员发现作为一种新型的免疫检查点抑制剂,NKG2A抗体能够潜在地促进T细胞和自然杀伤细胞(NK细胞)的抗肿瘤能力,当与现有的癌症免疫疗法相结合时可更好地治疗癌症患者。相关研究结果近期发表在Cell期刊上,论文标题为“Anti-NKG2A mAb Is a Checkpoint Inhibitor that Promotes Anti-tumor Immunity by Unleashing Both T and NK Cells”。
图片来自Cell, doi:10.1016/j.cell.2018.10.014。

这项研究的关键在于一种称为NKG2A的受体分子。这些研究人员发现阻断这种受体可增强小鼠体内的NK细胞和T细胞的免疫活性,从而提高抗肿瘤免疫反应。他们开发出一种称为Monalizumab的NKG2A抗体。它是一种人源化的单克隆抗体。

在实验中,这些研究人员将小鼠分为四组,第一组小鼠仅给予Monalizumab单抗,第二组小鼠仅给予PD-L1单抗,第三组小鼠联合给予Monalizumab单抗和PD-L1单抗,第四组小鼠作为对照组。这些小鼠事先通过皮下注射接种了B细胞淋巴瘤细胞。

他们发现相比于对照组,仅给予PD-L1单抗最多可让40%的小鼠存活下来,单独给予Monalizumab单抗并没有带来显著的抗癌作用,但是联合给予这两种单抗最多可让75%的小鼠存活下来,这就揭示了NKG2A单抗联合用药具有强大的抗癌潜力。

更重要的是,这些研究人员还在31例鳞状细胞头颈癌患者中开展II期临床试验。这些患者可分为多组,分别给予不同剂量的Monalizumab单抗。除此之外,这些患者还接受西妥昔单抗(cetuximab)治疗。西妥昔单抗是一种EGFR抑制剂,已被批准用于治疗头颈癌。中期临床试验结果Monalizumab单抗和西妥昔单抗的联合用药达到了31%的客观缓解率,有50%患者的病情得到稳定控制,更有1名患者的病灶完全消失。

Monalizumab单抗在人体临床试验中的安全性也是不错的。截止到2018年10月,参与治疗的患者达到40名,没有出现额外的安全性问题。最常见的不良反应是疲乏、发热和头痛。

这些数据显示出,Monalizumab单抗和西妥昔单抗联合用药对患者具有较高的缓解率和反应持久性。

由此可见,作为一种新型的免疫检查点抑制剂,NKG2A抗体可通过增强T细胞和NK细胞的活性促进抗肿瘤免疫反应,因而可作为第一代癌症免疫疗法的补充。

7.Cell:重大突破!开发出DNA显微镜
doi:10.1016/j.cell.2019.05.019


传统上,科学家们使用光、X射线和电子来观察组织和细胞的内部。如今,科学家们能够在整个大脑中追踪线状的神经纤维,甚至可以观察活的小鼠胚胎如何产生原始心脏中的跳动细胞。但是这些显微镜无法看到的是:细胞在基因组水平上发生了什么。

如今,在一项新的研究中,美国布罗德研究所生物物理学家Joshua Weinstein、霍华德-休斯医学研究所研究员Aviv Regev和麻省理工学院分子生物学家Feng Zhang发明了一种非传统的称为“DNA显微镜(DNA microscopy)”的成像方法,它能够做到这一点。他们使用DNA“条形码”来协助确定分子在样本中的相对位置,而不依赖于光线(或者任何类型的光学器件)。相关研究结果于2019年6月20日在线发表在Cell期刊上,论文标题为“DNA Microscopy: Optics-free Spatio-genetic Imaging by a Stand-Alone Chemical Reaction”。
图片来自Cell, 2019, doi:10.1016/j.cell.2019.05.019。

首先,这些研究人员获取实验室中培养的细胞,并将它们固定在反应室中。然后,他们添加了各种各样的DNA条形码。这些DNA条形码结合RNA分子,从而给每个RNA分子一个独特的标签。接下来,他们使用化学反应来让每个标记分子产生越来越多的拷贝---一个从每个分子的原始位置扩展出来的生长堆(growing pile)。

最终,标记的分子与其他标记的分子碰撞,迫使它们成对连接在一起。彼此靠近的分子更容易碰撞,因而产生更多的成对DNA。距离相隔较远的分子将产生较少的成对DNA。

DNA测序仪会读取样品中每个分子的碱基序列,这需要长达30个小时。这些研究人员开发出的算法随后解码这些数据---在本文中,这些数据代表来自每个原始样本的基因序列的大约5000万个DNA碱基---并将原始数据转换为图像。

Weinstein说,通过使用DNA显微镜,这些研究人员能够构建细胞图像,同时获得大量的基因组信息。“这为我们提供了另一层我们无法观察到的生物学。”

8.Cell:首次发现阻断CRISPR-Cas9基因组编辑的小分子抑制剂
doi:10.1016/j.cell.2019.04.009


在一项新的研究中,来自美国布罗德研究所等研究机构的研究人员发现酿脓链球菌Cas9(SpCas9)的首批小分子抑制剂能够更精确地控制基于CRISPR-Cas9的基因组编辑。相关研究结果发表在2019年5月2日的Cell期刊上,论文标题为“A High-Throughput Platform to Identify Small-Molecule Inhibitors of CRISPR-Cas9”。
图片来自Cell, 2019, doi:10.1016/j.cell.2019.04.009。

具体而言,他们通过开发一系列高通量生物化学分析方法和基于细胞的分析方法,筛选了许多小分子 ,以便鉴定出能够破坏SpCas9与DNA结合因而干扰它的DNA切割能力的化合物。这些首批小分子CRISPR-Cas9抑制剂很容易进入细胞,并且比之前发现的抗CRISPR蛋白小得多。这些新化合物可以对基于SpCas9的编辑技术进行可逆的和剂量依赖性的控制,包括它们在哺乳动物 细胞中进行基因编辑、碱基编辑和表观遗传编辑的应用。

论文通讯作者、布罗德研究所的Amit Choudhary说道,“这些技术为快速鉴定和使用针对SpCas9和下一代CRISPR相关核酸酶的小分子抑制剂奠定了基础。靶向CRISPR相关核酸酶的小分子抑制剂具有广泛应用于基础研究、生物医学和国防研究以及生物技术应用的潜力。”

9.Cell:重建中美洲和南美洲悠久的人口历史
doi:10.1016/j.cell.2018.10.027


在一项新的研究中,来自美国、德国、中国、智利和巴西等13个国家的研究人员报道了来自伯利兹、巴西、中部安第斯山脉和南锥体的四个平行时间断面(parallel time transect)的49个人的全基因组古DNA,每个人的历史至少可追溯到大约9000年前。相关研究结果发表在2018年11月15日的Cell期刊上,论文标题为“Reconstructing the Deep Population History of Central and South America”。

这个共同的祖先群体迅速地从两个早期分支中的一个分支扩散到今天的美洲原住民。这些研究人员记录了北美洲和南美洲之间两个以前未被发现的基因流:一个基因流在大约4200年前影响了中部安第斯山脉,另一个基因流解释了与克洛维斯文化(Clovis culture)相关的最古老北美洲人基因组与来自智利、巴西和伯利兹的最古老中南美洲人基因组之间存在的亲缘关系。

然而,这并不是后来的南美洲人的主要来源,这是因为其他古代人的血统与克洛维斯文化相关的最古老北美洲人基因组没有特定的亲缘关系,这表明至少在9000年前就开始了种群替换,随后在多个地区出现了大量的种群连续性。(生物谷 Bioon.com)

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