2022年6月Science期刊精华

2022年6月份即将结束，6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：挑战常规！在结核病中，肿瘤坏死因子通过反向电子传递诱导病理性线粒体活性氧产生
doi:10.1126/science.abh2841

肿瘤坏死因子（TNF）介导对结核病的抵抗。然而，过量的TNF产生是有害的，因为它诱导结核性肉芽肿（tuberculous granuloma）中受感染的巨噬细胞发生致病性坏死，从而将分枝杆菌释放到细胞外环境中，促进它们生长并传播给新的宿主。过量的TNF通过激酶RIP3和线粒体磷酸酶PGAM5，增加了活性氧，如被分枝杆菌感染的巨噬细胞线粒体中的超氧化物和过氧化氢。这些线粒体活性氧（mROS）启动了一个复杂的细胞间信号回路，最终导致巨噬细胞坏死和释放分枝杆菌。

TNF信号传导如何提高mROS的产生尚不清楚。为了在体内解决这个问题，在一项新的研究中，来自英国剑桥大学的研究人员使用了斑马鱼幼鱼，利用它们的光学透明度和对遗传和药物操作的适应性。因此，他们可以对这些操作后的mROS和巨噬细胞坏死情况进行可视化观察和定量确定。相关研究结果发表在2022年6月24日的Science期刊上，论文标题为“Tumor necrosis factor induces pathogenic mitochondrial ROS in tuberculosis through reverse electron transport”。

在结核病中，过量的TNF通过RET诱导病理性mROS产生。图片来自Science, 2022, doi:10.1126/science.abh2841。

通常，在正常呼吸过程中，代谢途径产生的还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）的电子进入电子传递链（electron transport chain, ETC），并通过正向电子传递从复合物I转移到辅酶Q (CoQ)，从而产生mROS。这些作者发现，在没有过量TNF产生的野生型动物中，分枝杆菌感染诱发了多种代谢途径的小幅提升，通过这一过程增加了mROS。这种mROS的轻微增加并没有导致巨噬细胞的坏死。在有过量TNF产生的动物（下称TNFhi动物）中，这些作者发现极大增加的mROS不是通过传统的正向电子传递诱导的，而是通过反向电子传递（reverse electron transport, RET）诱导的。当来自多种代谢途径的还原型CoQ（CoQH2）池的增加--与跨越线粒体内膜的高质子动力势相结合--导致电子通过复合物I回流而不是向前进入复合物III时，RET就会发生。他们发现，复合物II的琥珀酸氧化增加是RET mROS的原因，并且这种代谢物是CoQH2积累的来源。琥珀酸是在三羧酸循环中产生的，因此他们调查了它的代谢来源。他们发现TNF增加了进入细胞的谷氨酰胺运输，促进了谷氨酰胺分解，这增加了供应给三羧酸循环的α-酮戊二酸池，导致琥珀酸增加。

分枝杆菌在TNF诱导的坏死的两个不同步骤中发挥了关键作用。它们需要与TNF一起增加谷氨酰胺的分解，然后再次与由此产生的mROS一起诱导坏死。相比之下，TNF除了诱导mROS外，在坏死途径中没有进一步的作用。因此，毒性的分枝杆菌已经进化出多种协调机制，利用宿主的遗传弱点（即TNF水平失调）来介导巨噬细胞坏死，以此来增加对其生存至关重要的传播。对TNF诱导的RET mROS途径的描述确定了几种已经被批准用于治疗其他疾病的药物，这些药物在不同的步骤中抑制该途径。这些药物也抑制了TNF诱导的巨噬细胞坏死和斑马鱼幼鱼对感染的高度敏感性。

2.Science：震惊！观察到长达9.66毫米的巨型细菌，挑战关于细菌的传统概念
doi:10.1126/science.abb3634

乍一看，试管中略显浑浊的水看起来就像一瓢雨水，夹杂着树叶、碎屑和更轻的细线。但是在皮氏培养皿中，漂浮在树叶碎片上的细线是单个细菌细胞，肉眼可见。这种不寻常的大小是值得注意的，因为如果没有显微镜的帮助，细菌通常是不可见的。美国能源部（DOE）联合基因组研究所（JGI）科学家Jean-Marie Volland说，“它比大多数细菌大5000倍。”在一项新的研究中，Volland及其同事们描述了这种巨型丝状细菌的形态和基因组特征，以及它的生命周期。相关研究结果发表在2022年6月24日的Science期刊上，论文标题为“A centimeter-long bacterium with DNA contained in metabolically active, membrane-bound organelles”。

对于大多数细菌来说，它们的DNA在其细胞的细胞质中自由漂浮。这种新发现的细菌物种使其DNA更有组织性。Volland 说，“该项目最大的惊喜是意识到这些遍布整个细胞的基因组拷贝实际上包含在一个有膜的结构中。这对细菌来说是非常意想不到的。”

3.Science：添加一种小分子有机催化剂改进蛋白OGG1修复DNA氧化性损伤的能力
doi:10.1126/science.abf8980

在一项新的研究中，来自瑞典卡罗林斯卡学院和科学生命实验室的研究人员描述了他们如何改进一种蛋白修复氧化性DNA损伤的能力并构建出一种新的蛋白功能。他们的创新技术可能会导致涉及氧化应激的疾病（比如癌症、阿尔茨海默病和肺部疾病）的改进药物，但是他们认为它具有更大的潜力。相关研究结果发表在2022年6月24日的Science期刊上，论文标题为“Small-molecule activation of OGG1 increases oxidative DNA damage repair by gaining a new function”。

图片来自摄图网。

在这项新的研究中，这些作者改进了一种名为8-氧代鸟嘌呤DNA糖基化酶1（8-oxo guanine DNA glycosylase 1, OGG1）的蛋白的功能。OGG1是一种修复氧化性DNA损伤的酶，与衰老和阿尔茨海默病、癌症、肥胖症、心血管疾病、自身免疫性疾病和肺部疾病等疾病有关。

为了进行这项研究，这些作者使用了一种叫做有机催化（organocatalysis）的方法，这是一种由获得了2021年诺贝尔化学奖的Benjamin List和David W.C. MacMillan开发的工具。该方法是基于一项发现，即小的有机分子可以充当催化剂，诱导化学反应，而它们本身不属于最终产品的一部分。

4.Science：人类细胞中心体多样性为神经系统疾病提供新线索
doi:10.1126/science.abf9088

德国慕尼黑大学神经生物学者Magdalena Götz正在寻求重要的线索，以阐明神经系统疾病的原因。在一项新的研究中，Götz及其团队对人类中心体（centrosome）有了新的认识，而中心体的功能障碍与许多神经发育障碍有关。相关研究结果发表在2022年6月17日的Science期刊上，论文标题为“Spatial centrosome proteome of human neural cells uncovers disease-relevant heterogeneity”。

神经细胞的中心体蛋白质组可识别潜在的疾病。图片来自Science, 2022, doi:10.1126/science.abf9088

通过与Stefanie Hauck领导的亥姆霍兹慕尼黑蛋白质组学核心机构密切合作，这些作者发现，中心体中的蛋白组成因细胞类型不同而有很大的不同。

Götz解释说，“我们不仅对中心体出乎意料的高度异质性感到惊讶，而且还发现了许多与之相关的意想不到的蛋白--例如，RNA结合蛋白，甚至负责剪接（对RNA的加工）的蛋白，而剪接通常发生在细胞核中。”

这些作者发现，一种特定的蛋白，即普遍表达的剪接蛋白PPRF6，在神经干细胞的中心体富集，但在神经元中却没有。在脑畸形室周异位（brain malformation periventricular heterotopia）患者中发现的该蛋白的突变也导致了动物模型中的类似表型。

5.Science：狩猎采集社会婴儿的肠道微生物组与城市地区婴儿存在显著差异
doi:10.1126/science.abj2972

在一项新的研究中，来自美国斯坦福大学、陈-扎克伯格生物中心、加州大学伯克利分校和纽约大学阿布扎比分校的一研究人员发现，生活在坦桑尼亚一个狩猎采集社会的婴儿的肠道微生物组与生活在现代城市地区的婴儿的肠道微生物组有明显的区别。相关研究结果发表在2022年6月10日的Science期刊上，论文标题为“Robust variation in infant gut microbiome assembly across a spectrum of lifestyles”。在这篇论文中，他们对从坦桑尼亚哈扎（Hadza）部落婴儿获得的100多份粪便样本进行了核糖体RNA测序，并将测序数据与公共数据库中存储的类似数据进行了比较。

年龄和生活方式与婴儿肠道微生物组组成有关。图片来自Science, 2022, doi:10.1126/science.abj2972。

在注意到大多数肠道生物群落测序研究都是对生活在城市地区的人进行的之后，这些作者想知道生活在偏远、非城市环境中的人的肠道生物群落（gut biome）情况。他们还注意到，先前的一些研究已表明，生活在这类地区的人往往比生活在城市地区的人拥有更多样化的肠道生物群落，基于此，他们想知道生活在这类地方的婴儿的肠道生物群落。

这些作者收集了生活在坦桑尼亚的几十名哈扎部落婴儿的粪便样本，以及从23名婴儿的母亲那里收集的粪便样本。随后，他们对所有的样本进行了核糖体RNA测序，以确定其肠道中构成生物群落的细菌种类。他们将坦桑尼亚婴儿的肠道微生物组的多样性与生活在世界各地现代城市地区的婴儿的肠道微生物组进行了比较。他们发现，大约六个月后，与生活在城市地区的婴儿相比，哈扎部落婴儿的肠道中具有更多的多样性。他们还发现，在哈扎部落婴儿的肠道微生物组中发现的大约20%的细菌类型以前没有被记录下来。

6.Science：神经损伤后脊髓中小胶质细胞的激活可导致对疼痛的敏感性增加
doi:10.1126/science.abl6773

在一项新的研究中，来自加拿大麦吉尔大学的研究人员发现神经损伤后脊髓中小胶质细胞的激活可导致对疼痛的敏感性增加。相关研究结果于2022年5月26日在线发表在Science期刊上，论文标题为“Microglia-mediated degradation of perineuronal nets promotes pain”。在这篇论文中，他们描述了他们对受伤小鼠神经细胞的研究，以及这项新的研究向他们展示的关于某些类型的慢性背痛的可能来源。

为了进一步了解某些类型的慢性背痛的来源，这些作者让8只12周大的小鼠发生背脊神经损伤。然后他们收集了它们的投射神经元（projection neuron）。众所周知，这类神经细胞可以传递疼痛信号。接下来，他们利用染色剂对仍然留在小鼠体内的投射神经元进行了染色，其目的是为了显示称为神经元周围网（perineuronal net, PNN）的外部覆盖物是否存在。他们发现，受伤后，投射神经元上的PNN体积在三天内下降了76.3%。他们还发现，该染色剂进入了小胶质细胞---一种免疫细胞。

图片来自Trends in Genetics, 2017, doi:10.1016/j.tig.2017.12.004。

为了进一步了解小胶质细胞在PNN减少中可能发挥的作用，这些作者研究了一批新的小鼠。首先，他们把这批小鼠分成两组。其中一组小鼠的小胶质细胞被移除，另一组小鼠作为对照。测试显示，这些移除小胶质细胞的小鼠在受伤后没有看到PNN的下降，而在对照组中，观察到这种下降。他们随后从另一批新的小鼠的投射神经元中移除PPN，并发现这样做会导致这些小鼠对热的过度敏感（从它们的面部表情可以看出）和其他随机发生的疼痛。

7.Science：施一公团队解析出非洲爪蟾核孔复合体的细胞质环结构
doi:10.1126/science.abl8280

核孔复合体（nuclear pore complex, NPC）位于核膜（NE）上，介导细胞核-细胞质货物运输。作为细胞中最大的分子机器之一，脊椎动物NPC由细胞质丝（cytoplasmic filament）、细胞质环（cytoplasmic ring, CR）、内环（inner ring）、核环（nuclear ring）、核篮（nuclear basket）和管状环（luminal ring）组成。每个NPC有八个重复的亚基。NPC的结构测定是了解其功能机制的先决条件。在过去的二十年里，综合建模，即把核孔蛋白（nucleoporin, Nup）和亚复合物的X射线结构与低温电子断层扫描重建相结合，在推进人们对NPC的认识方面发挥了关键作用。

CR一直是结构研究的一个主要焦点。人类NPC的CR亚基通过低温电子断层成像技术进行子断层扫描图平均化（subtomogram averaging）而得到重建，其整体分辨率为约20埃，局部分辨率为约15埃。每个CR亚基包括两个Y型多组分复合体，称为内侧Y复合体和外侧Y复合体。八个内侧和八个外侧的Y复合体以头到尾的方式组合在一起，分别形成近端和远端环，构成了CR支架。为了实现更高的CR分辨率，来自中国西湖大学的施一公课题组在一项新的研究中使用单颗粒低温电镜（cryo-EM）对来自非洲爪蟾卵母细胞核膜的完整NPC进行成像。对非洲爪蟾CR亚基的核心区域和Nup358区域的重建达到了5～8埃的平均分辨率，从而可以识别二级结构元件。相关研究结果发表在2022年6月10日的Science期刊上，论文标题为“Structure of the cytoplasmic ring of the Xenopus laevis nuclear pore complex”。

非洲爪蟾NPC双层CR的低温电镜结构。图片来自Science, 2022, doi:10.1126/science.abl8280。

以前所有的电镜图都不能很好地确定CR亚基各组分之间的堆积相互作用。5～8埃的电镜图强烈地提示着了CR亚基存在其他组分，但仍有待确定。解决这些问题需要提高低温电镜重建的分辨率。因此，这些作者可能需要改善样品制备，优化图像采集，并开发一种有效的数据处理策略。

为了减少样品的构象异质性，这些作者用最小的力将打开的核膜铺到网格上，并使用化学交联剂戊二醛来稳定NPC。为了减轻NPC的方向偏差，他们让样品网格发生倾斜，并在较高的角度用较高的电子剂量对样品进行成像。他们改进了图像处理流程。通过这些努力，CR亚基的核心区域和Nup358区域的平均分辨率分别提高到3.7埃和4.7埃。此外，Nup358的N末端α-螺旋结构域的低温电镜结构达到3.0埃的分辨率。这些电镜图允许在每个CR亚基中识别5个Nup358拷贝、2个Nup93拷贝、2个Nup205拷贝和2个Y复合体。依靠这些电镜图并在AlphaFold预测的帮助下，他们为非洲爪蟾NPC的CR亚基生成了一个最终模型。他们的CR亚基模型包括30个Nup的19037个氨基酸。

这些作者发现Nup160的一个以前未知的C末端片段构成了一个顶点（vertex）的关键部分，Y复合体的短臂、长臂和茎部在个顶点相遇。Nup160的C末端片段直接与β推进蛋白Seh1和Sec13结合。两个彼此不接触的Nup205分子通过不同的界面与内侧和内侧的Y复合体结合。两个Nup205分子的构象弹性可能是它们与近端和远端CR环中不同Nup结合的多样性的基础。两个Nup93分子，每个都包括一个N端延伸螺旋和一个ACE1结构域，连接内侧和内侧的Y复合体和Nup205。Nup93和Nup205一起在介导相邻的CR亚基之间的接触中发挥了关键作用。五个Nup358分子，呈虾尾形状，被命名为“钳子（clamp）”，夹住这两个Y复合体的茎部。这种先天的构象弹性使每个Nup358钳子能够适应不同的局部环境，以实现与相邻Nup的最佳相互作用。在每个CR亚基中，α螺旋状的Nup似乎提供了构象弹性；12个β推进蛋白可能加强了CR支架的作用。

8.Science：一种新的全生命周期抗疟策略出炉！靶向疟原虫酪氨酸-tRNA合成酶让它自我死亡
doi:10.1126/science.abn0611

在一项新的研究中，来自墨尔本大学等研究机构的研究人员指出随着目前抗疟药物的疗效逐渐减弱，一种抗击疟疾的新方法可能会为全球每年数亿感染者提供有效的治疗。他们鉴定出一种称为ML901的抗疟疾化合物可以抑制导致疟疾的疟原虫，但不会伤害人类等哺乳动物的细胞。相关研究结果发表在2022年6月3日的Science期刊上，论文标题为“Reaction hijacking of tyrosine tRNA synthetase as a new whole-of-life-cycle antimalarial strategy”。

疟原虫生命周期示意图，图片来自Frontiers in Cellular and Infection Microbiology,2021, doi:10.3389/fcimb.2020.611801。

一旦ML901进入疟原虫体内，酪氨酸-tRNA合成酶（tyrosine–transfer RNA synthetase）---蛋白生物合成中的一种关键酶---结合ML901，将它附着到酪氨酸-tRNA的酪氨酸上，产生一种死端产物，这种死端产物阻断tyrosine-tRNA合成酶的活性部位，从而抑制疟原虫体内的下游蛋白的合成，迅速让疟原虫停止生长。ML901对疟原虫的毒性是特异性的，因为人类的tyrosine-tRNA合成酶在结构上不同于疟原虫tyrosine-tRNA合成酶，这意味着它们不容易受到ML901的攻击。

这些作者发现不同于可以劫持一系列氨基酰基tRNA合成酶（aminoacyl transfer RNA synthetases）的5′-氨基磺酸腺苷的是，ML901仅特异性地劫持疟原虫的一种氨基酰基tRNA合成酶，即tyrosine-tRNA合成酶。ML901在疟疾小鼠模型中以低纳摩尔效力和单剂量疗效发挥了全生命周期杀伤活性。疟原虫和人类tyrosine-tRNA合成酶的X射线晶体学研究显示，这两种酶催化位点上的一个环状结构的灵活性不同，这也是它们对ML901的劫持反应存在不同敏感性的原因。

9.Science：揭示黏连蛋白推动DNA环挤压机制
doi:10.1126/science.abm4012

当涉及到将信息打包到较小的空间时，我们的细胞表现出了工程学的奇迹。每次人类细胞分裂时，它将大约2长的DNA打包成46个小包裹，每个小包裹的长度只有百万分之一米。在一项新的研究中，来自德国欧洲分子生物学实验室海德堡总部（EMBL Heidelberg）和维尔茨堡大学的研究人员如今发现了一个DNA马达蛋白（motor protein）家族如何在细胞分裂过程中成功地将松散排列的DNA链包装成紧凑的染色体。相关研究结果发表在2022年6月3日的Science期刊上，论文标题为“A hold-and-feed mechanism drives directional DNA loop extrusion by condensin”。

这些作者研究了黏连蛋白（cohesin），即一种对染色体形成过程至关重要的蛋白复合物。尽管这种复合物在三十多年前就被发现了，但是它的作用方式在很大程度上仍未被探究。2018年，来自EMBL Heidelberg 的Christian H. Haering团队及其合作者已发现黏连蛋白分子可让细胞基因组产生DNA环（loop），这可能解释了染色体的形成方式。然而，这种蛋白复合物实现这一壮举的内部运作仍然是未知的。

三维基因组结构，图片来自Frontiers in Cell and Developmental Biology, 2021, doi:10.3389/fcell.2020.626541。

通过精心设计的实验，其中一些实验涉及在黏连蛋白形成DNA环的过程中对它进行观察和操纵，这些作者发现这种蛋白复合物的不同部分如何共同发挥分子机器的作用：一部分像锚一样固定住DNA，而另一部分像马达一样推动DNA前进，从而形成一个较大的DNA环。

像其他马达蛋白一样，黏连蛋白沿着DNA“一步步”前进，在此过程中以ATP的形式燃烧细胞能量。然而，这些步骤要比其他DNA马达蛋白的步骤长500多倍，尽管消耗的能量大致相同。论文第一作者Indra Shaltiel说，“这就像一辆一级方程式赛车和一辆电动自行车的能源效率。”

10.Science：构建出跨器官的发育中免疫系统的细胞图谱
doi:10.1126/science.abo0510

人类的免疫系统在整个妊娠期在多个解剖部位发育。免疫细胞最初由胚胎外的卵黄囊祖细胞分化出来，随后由主动脉-性腺-肾上腺衍生的造血干细胞分化出来，然后肝脏和骨髓才成为造血的主要部位。来自这些初级造血部位的免疫细胞随后播种在发育中的淋巴器官和外周非淋巴器官中。近期单细胞基因组学技术的进步促进了对发育中的免疫系统的研究，其规模和分辨率都是前所未有的。然而，这些研究的重点是一种或几种器官，而不是将整个免疫系统作为一个跨组织的分布网络进行重建。

为了详细描述多种器官的发育中的免疫系统，来自韦尔科姆基金会桑格研究所、剑桥大学及其合作机构的研究人员在一项新的研究中，使用从卵黄囊、产前脾脏和皮肤中分离出来的免疫细胞进行了单细胞RNA测序（scRNA-seq），并整合了另外六种器官的公开可用的细胞图谱，时间跨度为受孕后第4至17周。为了进一步描述发育中的B细胞和T细胞的特征并探索它们的抗原受体库，他们还产生了配对的γδTCR（γδTCR）、αβT细胞受体（αβTCR）和B细胞受体（BCR）的测序数据。最后，为了研究对B和T细胞发育至关重要的早期造血组织和淋巴器官中细胞群体的空间定位，他们对产前脾脏、肝脏和胸腺进行了空间转录组学研究，并以scRNA-seq数据为参考，绘制了原位免疫细胞图谱。相关研究结果发表在2022年6月3日的Science期刊上，论文标题为“Mapping the developing human immune system across organs”。

绘制跨组织的发育中人体免疫系统的细胞图谱。图片来自Science, 2022, 2022, doi:10.1126/science.abo0510。

这些作者整合了产前造血器官、淋巴器官和非淋巴外围器官的发育中人类免疫细胞的图谱。这包括90多万个细胞，他们从中确定了100多种细胞状态。通过跨孕期分析，他们发现骨髓细胞和淋巴细胞类型从妊娠中期开始就获得了免疫效应功能，它们的早期转录组特征提示着它们在组织形态发生中的作用。通过跨器官分析，他们确定了单核细胞和T细胞在分别从骨髓和胸腺迁移到外周组织之前的增殖和成熟的保守过程。他们在所有采样的外周器官中发现了全系统的血液和免疫细胞发育，特别是B细胞的生成。这扩展了以前对传统造血器官（卵黄囊、肝脏和骨髓）作为免疫细胞发育的唯一部位的理解。他们使用10X Genomics Visium空间基因表达和单分子荧光原位杂交技术在空间上验证了谱系定向祖细胞（lineage-committed progenitor）的存在和位置。最后，他们确定并在功能上验证了人类产前先天样B细胞和T细胞的特性，用单细胞转录组和BCR信息表征了人类B1细胞的广泛特征，以及对自发抗体分泌的功能验证。通过整合人类产前非经典T细胞的转录组图谱、它们的αβTCR V(D)J使用以及体外胸腺类器官培养模型的数据，他们提供了在非经典T细胞发育过程中胸腺细胞-淋巴细胞选择的额外证据。（生物谷 Bioon.com）