2021年5月28日Science期刊精华

2021年5月31日讯/生物谷BIOON/---本周又有一期新的Science期刊（2021年5月28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：新研究揭示较大环境中哺乳动物大脑的空间编码
doi:10.1126/science.abg4020; doi:10.1126/science.abi9663

大脑经常被比作一台电脑，它的硬件由组装在复杂回路中的神经元组成；它的软件是管理神经元行为的大量编码。但有时，即使大脑的硬件似乎不足以完成任务，它也会表现得异常出色。例如，尽管大脑的空间感知回路似乎适合代表更小的区域，但是人类和其他哺乳动物如何设法在大规模环境中导航的，这一直是个谜。

在一项新的研究中，来自以色列魏兹曼科学研究所的研究人员通过跳出实验框框思考，解决了这个难题。通过将一种不寻常的研究模型---果蝠（fruit bat）---与一个不寻常的环境---200米长的蝙蝠隧道---相结合，他们成功地揭示了一种新的感知空间的神经编码。相关研究结果发表在2021年5月28日的Science期刊上，论文标题为“Multiscale representation of very large environments in the hippocampus of flying bats”。

较大环境下的多尺度海马体空间编码，图片来自Science, 2021, doi:10.1126/science.abg4020。

蝙蝠和其他哺乳动物在自然界非常大的环境中导航。在一个晚上，一只蝙蝠可以覆盖一个长约20公里、宽2公里、高半公里的区域。这与构成传统实验设置的一平方米的箱子非常不同。这些作者明白，为了获得更接近自然的空间感知，他们必须设置更大的空间---他们假设，规模上的差异应该转化为神经元活动的差异。

为了验证这一假设，这些作者在魏兹曼科学研究所建造200米长的蝙蝠隧道--一个细长的、不透明的温室，这是世界上第一个建造这样的地方。他们表示，尽管他们的隧道不是确切的20公里长，但200米仍然大大超过了许多科学家们迄今为止所能研究的范围。此外，他们开发出一种微型神经记录器装置（miniature neural logger device），该装置安装在蝙蝠的头上，用于记录它们海马体中神经元的飞行活动，其中海马体是负责记忆存储的大脑区域，包括空间记忆。这些作者还安装了一系列天线，提供比GPS更精确的定位能力，而GPS是追踪在隧道内飞行的蝙蝠所必需的。基于此，他们如今能够在一种更好地模拟其自然行为的环境中研究他们的飞翔对象。

2.Science：重大进展！一种新的细胞核分类系统出炉！发现在两种细胞核类型之间来回切换的方法
doi:10.1126/science.abe2218

150年前，俄国科学家Dmitri Mendeleev创造了化学元素周期表，这是一个根据原子核的特性对原子进行分类的系统。如今，在一项新的研究中，一个研究生命之树的生物学家团队公布了一个新的细胞核分类系统，并发现了一种将一种类型的细胞核转化为另一种类型的细胞核的方法。相关研究结果发表在2021年5月28日的Science期刊上，论文标题为“3D genomics across the tree of life reveals condensin II as a determinant of architecture type”。

这项研究是几次单独努力的结果。其中的一个努力聚焦于DNA动物园（DNA Zoo），这是一个由十几个机构组成的国际联盟，包括贝勒医学院、美国国家科学基金会支持的莱斯大学理论生物物理中心（CTBP）、西澳大学和海洋世界（SeaWorld）。DNA动物园团队的科学家们一直在一起工作，对可以有几米长的染色体如何折叠以适应整个生命树上不同物种的细胞核进行分类。无论是观察蠕虫、海胆、海鞘还是珊瑚，他们一直看到相同的折叠模式出现。最终，他们意识到他们看到了两个整体的细胞核结构：在一些物种中，染色体的组装方式就像印刷报纸的页面，外缘在一边，折叠的中间在另一边；在其他物种中，每条染色体都被揉成了一个小球。

他们遇到了难题。这些数据提示着，在进化过程中，物种可以在一种细胞核类型和另一种细胞核类型之间来回切换。他们想知道：这种控制机制是什么？是否有可能在实验室里将一种类型的细胞核变为另一种类型的细胞核？

与此同时，荷兰的一个独立团队（下称荷兰团队）也发现了一些意想不到的东西。该团队当时正在做一种叫做凝缩蛋白II（condensin II）的蛋白质的实验，他们知道它在细胞如何分裂中起作用，但是他们观察到最奇怪的事情：当在人类细胞中让该蛋白发生突变时，染色体会完全重新排列，这真是令人费解。

这两个团队在奥地利山区的一次会议上相遇，并进行相互交流。他们很快意识到，他们找到了一种将人类细胞从一种细胞核类型转换为另一种细胞核类型的方法。

3.Science：利用源自宿主细胞的非典型crRNA可实现Cas9的多重RNA检测
doi:10.1126/science.abe7106; doi:10.1126/science.abi9335

CRISPR-Cas免疫系统通过CRISPR RNA（crRNA）的引导降解外来遗传物质。crRNA作为间隔重复序列单元被编码在这种系统的CRISPR阵列中。每个crRNA通常由对CRISPR阵列进行转录而来的前体进行加工而成，然后与这种系统的Cas效应核酸酶（比如Cas9）合作，直接裂解靶核酸。在作为Cas9核酸酶和许多CRISPR技术的来源的II型系统中，crRNA加工和随后Cas9的DNA靶向需要反式激活crRNA（trans-activating crRNA, tracrRNA）。tracrRNA与转录的CRISPR阵列中每个crRNA的“重复序列”部分杂交。然后，宿主的RNase III裂解形成的RNA茎，产生加工后的crRNA：tracrRNA双链，以供Cas9使用。目前还不清楚的是crRNA是否局限于CRISPR-Cas位点，还是可以从基因组的其他地方获得。

在一项新的研究中，来自德国维尔茨堡大学等研究机构的研究人员发现crRNA可以来自CRISPR-Cas位点以外的宿主RNA，这促进他们开一种新的基于Cas9的诊断平台，允许在一次测试中可扩展地检测多种生物标志物。相关研究结果于2021年4月27日在线发表在Science期刊上，论文标题为“Noncanonical crRNAs derived from host transcripts enable multiplexable RNA detection by Cas9”。

空肠弯曲菌中Cas9结合的细胞RNA片段类似于crRNA。图片来自Science, 2021, doi:10.1126/science.abe7106。

这些作者利用RIP-seq技术和MEME在线工具寻找揭示来自空肠弯曲菌（Campylobacter jejuni）的Cas9（CjeCas9）可以结合的细胞宿主RNA。他们发现两个显著的序列基序：基序#1和基序#2。基序#1与crRNA2引导部分的13个核苷酸互补。令人惊讶的是，基序#2与tracrRNA反重复结构域（anti-repeat domain）的21个核苷酸互补。由于作为crRNA生物发生的一部分，该结构域通常与crRNA重复序列杂交，基序#2提出了这些细胞RNA与tracrRNA杂交从而潜在地成为具有类似crRNA功能的RNA的有趣可能性。

这些富集的RNA片段的Cas9结合、预测的tracrRNA配对和长度分布表明，tracrRNA与内源性RNA配对，形成了非典型的crRNA（ncrRNA）。因此，预计ncrRNA可以将Cas9引导到两侧为前间区序列邻近基序（protospacer-adjacent motif, PAM）的互补DNA靶标上，类似于典型的crRNA。由于产生检测到的ncrRNA的所有基因都没有正确放置的PAM，因此预计ncrRNA不能引导Cas9裂解它们的起始基因组位点。

这些作者进一步证实，重编程的tracrRNA（reprogrammed tracrRNA, Rptr）可以将感兴趣的RNA的存在与Cas9的序列特异性DNA靶向联系起来。这种能力可以使Cas9在体内的应用（比如多重转录记录或转录依赖的编辑）成为可能。最直接的应用涉及通过LEOPARD（Leveraging Engineered tracrRNAs and On-target DNAs for PArallel RNA Detection, 利用工程tracrRNA和在靶DNA进行平行RNA检测）在体外进行多重RNA检测。

目前的CRISPR诊断主要依靠Cas12a或Cas13寻找样品中的双链DNA或RNA靶标，在此过程中，靶标识别引起非特异性的单链DNA或RNA裂解荧光报告分子。非特异性荧光读取实际上将一次测试限制为针对一个靶序列。相反，重编程tracrRNA将识别到的RNA转化为ncrRNA，这将引导Cas9靶向匹配的DNA。Cas9结合或裂解匹配的DNA序列将表明样品中存在识别到的RNA。由于每个DNA靶标的序列都是独一无二的，大量的靶序列可以在一次测试中被平行监测。这些作者将由此产生的诊断平台称为LEOPARD。

4.Science：在智利圣地亚哥，社会经济地位决定了COVID-19的发病率和相关死亡率
doi:10.1126/science.abg5298

智利的圣地亚哥是一个高度隔离的城市，有明显的富裕区和贫困区。这个环境提供了一个窗口，让人们了解社会因素如何在一个经济脆弱、收入高度不平等的社会中推动SARS-CoV-2大流行。Mena等人分析了SARS-CoV-2的发病率和死亡率，以了解疾病负担的空间变化。由于合并症和缺乏医疗服务，低收入城市的感染死亡率更高。各城市之间在卫生保健服务系统质量方面的差异在检测延误和能力方面变得很明显。这些指标解释了COVID-19漏报和死亡的很大一部分差异，并表明这些不平等现象对年轻人的影响过大。

5.Science：细菌效应物操纵宿主膜
doi:10.1126/science.aay8118

许多致病菌利用分子注射器将称为效应物（effector）的蛋白质转移到宿主细胞中，劫持细胞机制以促进其增殖。作为军团病的致病菌，嗜肺军团菌使用了一个庞大的效应物库，并利用宿主的膜系统建立一个专门的囊泡，在那里进行复制。Hsieh等人发现，在这个效应物库中，磷脂激酶MavQ和磷酸酶SidP一起工作，在其真核生物宿主的细胞内膜网络上自我组装，促进膜重塑。MavQ和SidP之间的相互作用分别构成了正反馈和负反馈回路，在感染期间协调它们的时空振荡。

6.Science：使用外骨骼减少能量可以降低行走的代谢成本
doi:10.1126/science.aba9947; doi:10.1126/science.abh4007

已经开发了许多设备来收集行走或跑步的能量，但它们的使用往往以增加代谢需求的形式给佩戴者带来代价。Shepertycky等人设计了一种设备，可以从自然的行走步态中获取机械能，并将其转化为可使用的电能，同时还能减少使用者的代谢能量消耗。实现“无中生有”的关键来自于设计该设备，它使用以肌肉为中心的膝盖外骨骼阻力控制，以减少腿部摆动周期后期活跃的肌肉力量。

7.Science：线粒体NADP(H)的生成是脯氨酸生物合成的关键
doi:10.1126/science.abd5491

代谢过程在细胞器中的区室化可以产生重要的后果。Zhu等人研究了辅酶烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸盐（NADP+）及其还原形式（NADPH）在体外培养的人类细胞中的作用。他们发现，缺乏NAD激酶2（一种制造NADPH所需的酶）的细胞在缺乏脯氨酸的情形下具有下降的线粒体NADPH丰度，在营养有限的培养基中增殖缓慢。脯氨酸是在线粒体中制造的，因此线粒体中NADPH的一个关键功能似乎是合成脯氨酸以维持细胞蛋白质的合成。

8.Science：海洋热浪过后，局部条件加剧了珊瑚的流失
doi:10.1126/science.abd9464; doi:10.1126/science.abi7286

在过去的几十年里，气候变化驱动的温度升高已经造成了反复的珊瑚白化（coral bleaching）和随后的死亡。这种影响是如此广泛，以至于有人认为，只有气候变化发生逆转才能拯救全球的珊瑚礁。Donovan等人研究了局部条件和珊瑚礁健康之间的相互作用，发现恶劣的条件会放大气候的影响。此外，人类压力因素（如过度捕捞或污染）被最小化的珊瑚礁表现更好。这样的结果表明，对珊瑚礁的局部关怀可能有助于它们在我们变暖的世界中持续存在。

9.Science：海洋变化和生态系统海鸟生产力的半球不对称性
doi:10.1126/science.abf1772

世界上浩瀚的海洋使它们难以被监测。在全球各大洋觅食和繁殖的海鸟已被认为是海洋健康的哨兵。Sydeman等人研究了北半球和南半球的海鸟物种，发现了不同的模式。北半球的海鸟物种表现出更大的压力和下降的繁殖成功率，表明鱼类资源的减少。南半球的海鸟物种显示出对繁殖产出的影响较小，这表明到目前为止那里的鱼群受到的干扰较少。不同半球的差异表明了不同的保护策略，北半球需要积极恢复，而南半球则需要加强保护。

10.Science：SARS-CoV-2卷土重来！需要进行社区病毒监测
doi:10.1126/science.abf0874

在连续和个别回合下，恒定增长率模型适合REACT-1数据，图片来自Science, 2021, doi:10.1126/science.abf0874。

即使是高度有效的疫苗也不能使我们免于监测SARS-CoV-2的活动，也许在未来几年都是如此。公共卫生机构将需要对任何病例的上升进行早期预警，以便根据需要准备和部署干预措施。Riley等人开发了一个社区范围内的项目，旨在检测低流行率下的死灰复燃，并已被用于追踪整个英格兰的SARS-CoV-2病毒。在2020年5月至9月的四轮采样中，对所有社区的近60万名代表进行了监测。这些结果显示，在18至24岁的人群中，流行率最高；在年龄较大的人群中，发病率越来越高；一些社区中的感染几率升高。这种检测方法为监测SARS-CoV-2需要进行的实时、全国范围内的人群监测工作提供了一个模式。（生物谷 Bioon.com）