2021年4月23日Science期刊精华

2021年4月25日讯/生物谷BIOON/---本周又有一期新的Science期刊（2021年4月23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：纹状体胆碱能中间神经元中的ISR激活参与多巴胺调节和技能学习
doi:10.1126/science.abe1931; doi:10.1126/science.abi4907

整合应激反应（integrated stress response, ISR）是一个高度保守的生化途径，一旦被激活，就会明显改变蛋白合成。它在蛋白稳态、突触可塑性、学习和记忆中的作用使得该途径成为全身性疾病和大脑疾病的一个有吸引力的治疗靶标。临床前研究已显示，小分子ISR抑制剂能够增强某些形式的学习和记忆，这进一步突出了其转化潜力。尽管越来越多的强有力的证据表明ISR是不同行为模式中可塑性、学习和记忆的有效调节因子，但是ISR参与的细胞活动部位和时间过程却没有被很好地理解。

为了更好地了解ISR在大脑中的作用，这些作者开发出一种ISR激活状态的双色报告分子---SPOTlight，并通过病毒载体将它用于细胞分辨率下的全脑成像。SPOTlight被设计为基于ISR的激活状态，从单一的转录本中不同地翻译为绿色荧光蛋白或红色荧光蛋白。相关研究结果发表在2021年4月23日的Science期刊上，论文标题为“Cholinergic neurons constitutively engage the ISR for dopamine modulation and skill learning in mice”。

纹状体胆碱能中间神经元中的ISR。图片来自Science, 2021, doi:10.1126/science.abe1931。

药物ISR激活剂和抑制剂在体内给送时不同程度地改变了SPOTlight编码的荧光蛋白的水平，并与小鼠大脑中ISR激活的免疫组织化学标志物相对应。正如预期的那样，在正常成熟的小鼠大脑中，SPOTlight只显示出少量的细胞发生ISR激活的证据。出乎意料的是，这些作者还发现了一类显示出群体范围内ISR激活的神经元：紧张性放电（tonic firing）的纹状体胆碱能中间神经元（cholinergic interneuron, CIN）。对CIN放电的化学遗传学抑制减少了ISR的激活，这表明存在一种神经元活动依赖性的成分。CIN在ISR参与方面也显得与众不同；对其他具有紧张性放电特性的细胞类型的SPOTlight调查没有显示类似的较高和群体范围的ISR参与。在CIN中，抑制ISR的操作通过一种减少小电导钙活化钾通道电流的机制使得正常的2型多巴胺受体（D2R）反应发生逆转，从延缓CIN放电切换到增加CIN放电。在CIN中细胞自主的ISR抑制也逆转了D2R对诱发的纹状体多巴胺的调节，并通过增加两个学习任务的运动速度改变了技能学习。

2.Science：利用RABID-seq分析中枢神经系统炎症中的星形胶质细胞-小胶质细胞相互作用
doi:10.1126/science.abf1230; doi:10.1126/science.abh2810

中枢神经系统（CNS）的胶质细胞，包括星形胶质细胞和小胶质细胞，在发育、组织修复和稳态方面发挥着关键作用。然而，星形胶质细胞和小胶质细胞反应失调有助于神经系统疾病发生。事实上，在多发性硬化症（MS）及其模型--实验性自身免疫性脑脊髓炎（experimental autoimmune encephalomyelitis,EAE）的背景下，环境化学物、微生物代谢物和细胞-细胞相互作用已被证明能调节星形胶质细胞和小胶质细胞的促病反应。特别是，尽管已知星形胶质细胞与小胶质细胞的相互作用在多发性硬化症和其他神经系统疾病的病理学中发挥着重要作用，但对促进星形胶质细胞与小胶质细胞交谈的途径了解甚少，因此，靶向这些途径的治疗性干预措施也很少。了解中枢神经系统炎症中星形胶质细胞-小胶质细胞交谈的复杂性需要研究体内精确的神经免疫相互作用，但确定介导这些相互作用的特定细胞类型、途径和分子的方法有限。

在一项新的研究中，来自美国、德国和加拿大的研究人员开发出一种基于病毒的条形码方法，用于识别体内中枢神经系统细胞之间发生数以千计的相互作用，并在单细胞分辨率下同时分析相互作用的细胞的转录组。这些作者将这种技术命名为狂犬病条形码相互作用检测后测序（rabies barcode interaction detection followed by sequencing, RABID-seq），用于在中枢神经系统炎症背景下研究EAE和多发性硬化症的小胶质细胞-星形胶质细胞交流。相关研究结果发表在2021年4月23日的Science期刊上，论文标题为“Barcoded viral tracing of single-cell interactions in central nervous system inflammation”。

为了开发RABID-seq，这些作者在糖蛋白G缺乏的假狂犬病病毒（RabΔG-BC）中设计了一个mRNA条形码文库，RabΔG-BC在相互作用的细胞之间传播，但只能在通过基因工程过程手段表达病毒糖蛋白G的细胞中复制。他们利用病毒亚型A包膜蛋白（EnvA）包装和RabΔG-BC质粒文库构建出假病毒。因此，该假病毒只感染通过基因工程过程手段表达EnvA受体（TVA）的细胞。在表达TVA和病毒糖蛋白G的细胞中复制后，RabΔG-BC感染相互作用的细胞，并用病毒编码的条形码对这些细胞进行标记。

为了在中枢神经系统炎症背景下利用RABID-seq研究星形胶质细胞在多发性硬化症的EAE模型中的相互作用，这些作者使用了在Gfap启动子控制下在星形胶质细胞中表达糖蛋白G和TVA的转基因小鼠。这些研究确定了几种轴突引导分子是这种炎症背景下小胶质细胞-星形胶质细胞相互作用的关键介质。

3.Science：阻止成纤维细胞的Engrailed-1基因激活可使皮肤伤口愈合而不留下疤痕
doi:10.1126/science.aba2374; doi:10.1126/science.abi5770

皮肤伤口一般通过形成疤痕来愈合，这是一种由表达Engrailed-1（En1）基因的成纤维细胞谱系介导的纤维化过程。疤痕在三个方面与正常未受伤的皮肤不同：(i) 它们缺乏毛囊、皮脂腺和其他真皮附属物（dermal appendage）；(ii) 它们含有密集的、平行的细胞外基质纤维，而不是未受伤皮肤的“篮筐编织（basket-weave）”模式；(iii) 由于这种基质结构的改变，它们缺乏皮肤的正常弹性和强度。一种成功的疤痕疗法将通过促进真皮附属物的重新生长、正常的基质超微结构的重建和机械强度的恢复来解决这三个差异。然而，人们对阻碍出生后皮肤再生性愈合反应的细胞和分子机制知之甚少，也不知道是否可以通过调节特定的成纤维细胞谱系来绕过这些机制。

在一项新的研究中，来自美国斯坦福大学医学院的研究人员想要了解疤痕成纤维细胞（scarring fibroblast, ，也称为瘢痕成纤维细胞）是否纯粹来自于未受伤皮肤中现有的En1阳性成纤维细胞的扩增，或者En1阳性疤痕成纤维细胞是否可以通过激活出生后的En1阴性成纤维细胞在伤口微环境（wound niche）中的En1表达而从新产生。相关研究结果发表在2021年4月23日的Science期刊上，论文标题为“Preventing Engrailed-1 activation in fibroblasts yields wound regeneration without scarring”。

皮肤成纤维细胞中的Engrailed-1激活导致疤痕形成，图片来自Science, 2021, doi:10.1126/science.aba2374。

这些作者使用成纤维细胞移植以及转基因小鼠模型来追踪En1在空间时间上的表达。他们研究了成纤维细胞对体外和体内机械力的反应，以建立一种将皮肤张力与出生后的En1表达联系起来的机械传导机制。接着，他们用化学方法（通过使用维替泊芬）和转基因方法[利用白喉毒素剔除表达En1的成纤维细胞，通过将编码YAP的DNA序列放入两个loxP位点之间实现YAP基因敲除]抑制机械传导信号来调节伤口愈合期间的En1表达。他们通过RNA测序、定量组织病理学比较（使用自定义图像处理算法）和机械强度测试，将实验性伤口与未受伤的皮肤和疤痕（使用磷酸盐缓冲盐水作为对照）进行比较。

成纤维细胞移植和谱系追踪研究显示，网状真皮层的En1阴性成纤维细胞（ENF）在伤口微环境中激活En1，产生了大约40%～50%的疤痕成纤维细胞。这一现象取决于机械线索：在软基质上培养的ENF细胞或用机械信号蛋白（比如YAP）的化学抑制剂处理的ENF细胞不会激活En1。通过RNA测序对表达En1的ENF细胞和用短发夹RNA（shRNA）进行En1敲降的ENF细胞进行比较，结果表明En1调节一系列与皮肤纤维化有关的基因。

在愈合的伤口中，通过维替泊芬（verteporfin）抑制YAP，阻断En1激活，可促进ENF细胞介导的修复，在30天内实现皮肤再生，并伴随功能性毛囊和皮脂腺的恢复。对疤痕和再生皮肤的定量比较表明，YAP抑制诱导恢复正常的真皮超微结构，进而使得正常的机械断裂强度得到恢复。白喉毒素介导的出生后表达En1的成纤维细胞的剔除和针对成纤维细胞的转基因YAP敲除同样促进了正常皮肤结构的恢复，这表明对En1激活的调控，无论是直接方式还是间接方式，都能导致伤口再生。

4.Science论文解读！间隔接种COVID-19疫苗有好处，但长期结果取决于强大的免疫力
doi:10.1126/science.abg8663

推迟第二剂COVID-19疫苗的接种时间，应该可以在短期内减少病例数。但是，在一项新的研究中，来自美国普林斯顿大学和加拿大麦吉尔大学等研究机构的研究人员发现长期的病例负担和SARS-CoV-2病毒“逃逸”免疫的进化潜力将取决于自然感染和一到两剂疫苗接种所产生的免疫反应的强大程度。相关研究结果近期发表在Science期刊上，论文标题为“Epidemiological and evolutionary considerations of SARS-CoV-2 vaccine dosing regimes”。

图片来自Science, 2021, doi:10.1126/science.abg8663。

论文共同通讯作者、普林斯顿大学刘易斯-西格勒综合基因组学研究所博士生Chadi Saad-Roy说，“包括英国和加拿大在内的一些国家已经表示，他们将推迟第二剂COVID-19疫苗接种，以应对供应短缺，同时也是为了迅速增加接种人数。”

Saad-Roy说，“疫苗最初的临床试验，加上随后的流行病学，对第一剂疫苗的疗效相当乐观。然而，我们仍然不确定单剂疫苗免疫力的强度和持续时间---或者完整的两剂疗程或自然感染的免疫力将如何长期持续。”

5.Science：复制时间顺序维持人类细胞的整体表观遗传状态
doi:10.1126/science.aba5545

DNA复制的时间顺序从酵母到人类是保守的，但其生物学意义仍不清楚。Klein等人在几种人类细胞系中剔除了蛋白RIF1，即复制时间顺序的主要调节因子。在细胞周期的G1期，RIF1的缺失导致了从第一个S期开始的异质性的、几乎随机的复制时间程序，甚至在稳定的RIF1缺失克隆中也持续存在。复制时间改变后，活性和抑制性组蛋白修饰的复制依赖性重新分布以及基因组结构的改变。这些结果支持一种模型，在这种模型中，复制时间顺序协调了新复制的染色质的表观遗传状态。

6.Science：评估中国为达到1.5℃上限所做的努力
doi:10.1126/science.aba8767

2016年《巴黎协定》设定了雄心勃勃的目标，将本世纪全球气温上升控制在2℃以下，甚至更好，比工业化前水平高出1.5℃。要实现这些目标需要大量的干预措施，特别是对工业化国家而言。来自中国、德国、荷兰、日本、奥地利、意大利、西班牙和美国的研究人员预测，中国将需要减少90%以上的碳排放和近40%的能源消耗，才能为实现1.5℃的目标尽一份力。负排放技术是任何计划中的一个基本要素。到2050年，中国累积的经济成本可能约为其国内生产总值的3-6%。

7.Science：利用保守的遗传特征确定局部和投射神经元的类别
doi:10.1126/science.abe0690

小鼠脊髓的神经元可以通过几个指标中的任何一个来识别，包括它们使用什么神经递质，它们与什么细胞连接，它们位于哪里，以及什么神经祖细胞（neuroprogenitor）产生了它们。Osseward等人产生了一个不同的衡量指标，即遗传特征，并确定了局部和投射神经元的类别。由于对细胞的遗传特征的关注，它的神经递质表型可以通过各种转录途径获得，可以被视为与发育过程中的趋同进化相平行。

神经元，图片来自Wikipedia。

8.Science：推断湖北省SARS-CoV-2首发病例出现的时间
doi:10.1126/science.abf8003

新型冠状病毒SARS-CoV-2在其变体建立起足够的生产性感染以形成具有大流行潜力的传播链之前，可能有一段流产的人类顿挫性感染史。因此，2019年12月底发现的武汉感染集群可能不代表初始事件。Pekar等人利用从COVID-19大流行的早期病例中收集的基因组数据，结合分子钟推断和流行病学模拟，估计最成功的变体何时在人类中获得立足点。

9.Science：全球地下水井面临干涸的危险
doi:10.1126/science.abc2755; doi:10.1126/science.abh2867

地下水提供了近一半的农业灌溉用水和数十亿人的大部分饮用水。因此，保持这一资源的安全是至关重要的。Jasechko和Perrone研究了全世界40个国家约3900万口井的数据，调查它们对水位下降的脆弱性。这两名作者发现，在一些正在经历地下水下降的地区，没有建造更深的水井，这种脱节给依赖井水的人们带来了风险。（生物谷 Bioon.com）