2021年9月3日Science期刊精华

2021年9月6日讯/生物谷BIOON/---本周又有一期新的Science期刊（2021年9月3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：为何仅一些携带促癌突变的细胞能够形成癌症？细胞环境是关键
doi:10.1126/science.abc1048

现在，在你的身体里，潜伏着成千上万的细胞，它们携带的DNA错误可能导致癌症。然而，只有在极少数情况下，这些称为基因突变的DNA错误才会导致癌症出现。为什么呢？标准的解释是，细胞的DNA需要一定数量的基因“撞击”才能将细胞推到癌变边缘。但是有一些众所周知的病例中，同样的一组突变在某种环境下明显导致癌症，但在另一种环境下却不会。一个很好的例子是痣。构成痣的细胞在遗传上是不正常的。通常，它们包含BRAF基因的一个突变版本，当这个突变版本在位于痣之外的细胞中发现时，它往往会导致黑色素瘤。但是绝大多数的痣都不会变成癌症。这是一个难题，科学家们正在寻找细胞环境（cellular context）的线索来解释这种差异。

在一项新的研究中，来自美国纪念斯隆凯特琳癌症中心的研究人员发现相比于传统观点，他们的研究结果为为癌症的形成提供了一个重要的新视角。相关研究结果发表在2021年9月3日的Science期刊上，论文标题为“Developmental chromatin programs determine oncogenic competence in melanoma”。

发育染色质因子允许致癌能力和肿瘤形成。图片来自Science, 2021, doi:10.1126/science.abc1048。

White博士和他的团队对斑马鱼进行了基因改造，使其携带突变的BRAF基因，这个BRAF突变基因在大约一半的黑色素瘤中存在。他们引入BRAF突变基因的方式使其在不同斑马鱼的黑色素细胞发育的三个不同阶段开启：神经嵴阶段（neural crest stage, NC）、成黑素细胞阶段（melanoblast stage, MB）和黑色素细胞阶段（melanocyte stage, MC）。这些阶段指的是逐渐分化的细胞状态。然后，他们让斑马鱼长大，观察是否有肿瘤产生。几个月后，他们发现只有在NC和MB阶段激活BRAF突变基因的斑马鱼能够形成肿瘤（他们称之为 “致癌能力”）。在MC阶段激活BRAF突变基因的细胞反而形成了痣。

这一结果令人震惊。但是斑马鱼的情况不一定适用于人类。因此，为了扩展这些结果，White博士与Studer博士合作，对人类细胞进行了类似的实验。Studer博士及其团队之前已发现，他们可以使用hPSC来重现黑色素细胞的三个发育阶段。在这项研究中，他们在与在斑马鱼身上研究的三个相同阶段将BRAF突变基因引入到hPSC中，然后将这些细胞植入小鼠体内，看看哪些细胞能够形成肿瘤。再一次，只有前两个阶段---NC和MB---始终能够形成肿瘤。

2.Science：从结构上揭示产甲烷古菌的酶复合物进行电子分岔和二氧化碳固定之谜
doi:10.1126/science.abg5550

产甲烷古菌（methanogenic archaea）利用复杂的酶系统在能量有限的缺氧环境中生存。节约能源的一个关键机制是电子分岔（electron bifurcation），这是一种“分裂”一对电子能量的反应，从而使一个电子以另一个电子为代价更具还原性。

在一项新的研究中，来自德国马克斯-普朗克陆地微生物研究所和马克斯-普朗克生物物理研究所的研究人员从一种产甲烷古菌中发现了一种庞大的酶复合物，它直接将电子分岔反应中的电子转移到二氧化碳的还原和固定中。他们对这种高效的能量转化过程的详细见解可能为可持续的生物技术开发带来新的可能性。相关研究结果发表在2021年9月3日的Science期刊上，论文标题为“Three-megadalton complex of methanogenic electron-bifurcating and CO2-fixing enzymes”。

产甲烷循环的一个特别复杂的步骤被称为基于黄素的电子分岔（flavin-based electron bifurcation, FBEB）。人们假设产甲烷菌通过一种在细胞中自由扩散的小型电子载体蛋白---铁氧还蛋白（ferredoxin），转移该反应中的高能电子转移，以固定二氧化碳。

令人惊讶的是，在这项研究中，这些作者发现将电子从FBEB转移到二氧化碳还原并不需要这样的电子载体。他们从产甲烷古菌亨氏产甲烷螺菌（Methanospirillum hungatei）中纯化出由甲酸脱氢酶（formate dehydrogenase. Fdh）、杂二硫化物还原酶（heterodisulfide reductase, Hdr）和甲酰甲烷呋喃脱氢酶（formylmethanofuran dehydrogenase, Fmd）组成的酶复合物。这个物种以及许多其他的产甲烷菌，经常出现在处理诸如城市废水或工业废物之类的有机废物的厌氧消化池中。

这些作者用酶测定法描述了这种酶复合物的功能，并通过低温电镜（cryo-EM）解出了它的结构。它的结构显示，催化产甲烷循环最后一步和第一步的酶形成了一种庞大的酶复合物，从而直接将这两个步骤---甲酸驱动的FBEB和二氧化碳还原---连接在一起，因而没有使用可扩散的电子载体蛋白铁氧还蛋白。

3.Science：转移RNA或有望作为治疗人类特定类型周围神经病变的潜在疗法
doi:10.1126/science.abb3356

6个转移RNA（tRNA）合成酶基因的杂合突变（heterozygous mutations）会引发周围神经病变腓骨肌萎缩症(Charcot-marie-tooth，CMT)，CMT突变的tRNA合成酶能通过一种未知的机制来抑制蛋白质的合成。近日，一篇发表在国际杂志Science上题为“RNA overexpression rescues peripheral neuropathy caused by mutations in tRNA synthetase”的研究报告中，来自拉德堡德大学等机构的科学家们通过研究解析了周围神经病变腓骨肌萎缩症发生背后的一种分子机制，这种疾病同时影响运动神经和感觉神经，这一科学突破或为这种不治之症提供了一种新型的治疗手段。

图片来源：DOI:10.1126/science.abb3356。

研究者所研究的这种CMT亚型大约在10万人种会有1例，这也就使得这种疾病成为了一种罕见的疾病；截止到现在，科学家们并不确定这种疾病发生的机制，而且尚没有有效的药物来治疗这种罕见疾病。患者机体的运动和感觉神经都会受到影响，从而导致肌肉无力以及感觉障碍，研究者Erik Storkebaum说道，这种疾病会导致患者感觉丧失（比如脚底下的感觉）和肌肉无力等，由此也会导致患者出现高步态以及脚部畸形；该病的进展非常缓慢，但却很稳定，患者最终都会发展到坐轮椅的地步。

编码tRNA合成酶的6个基因发生突变就会导致CMT发生，tRNA合成酶能将氨基酸（构成蛋白质的基本元件）结合到tRNA上，这是产生蛋白质的必要一步；本文研究中，研究者发现，一种诸如tRNA合成酶（甘氨酰-tRNA合成酶）的CMT突变版本仍能结合其tRNA，但随后并未对其进行释放。这种对甘氨酰-tRNA的捕获耗尽了细胞中tRNA的供应，从而就会导致甘氨酰-tRNA不能充分地运输到核糖体（制造蛋白质的细胞器）中；因此，当抵达用于产生甘氨酸的密码子时，核糖体就会停止产生蛋白质，从而就会扰乱蛋白质的产生并导致细胞压力反应的出现。

4.Science：揭示SARS-CoV-2校对外切核酸酶识别错配核苷酸机制
doi:10.1126/science.abi9310

引起COVID-19的冠状病毒SARS-CoV-2已经表现出顽强抵抗大多数核苷类抗病毒药物治疗的能力。如今，在一项新的研究中，来自美国爱荷华州立大学、明尼苏达大学奥斯汀分校和耶鲁大学医学院的研究人员详细介绍了SARS-CoV-2中存在的一种关键酶的结构。这种称为校对外切核酸酶（proofreading exoribonuclease, ExoN）的酶从这种病毒的RNA中去除核苷类抗病毒药物，使大多数基于核苷类似物的抗病毒药物治疗无效。他们解析出ExoN酶的原子结构，这可能导致人们开发新的方法来使这种酶失活，并为COVID-19患者打开更好的治疗方法。相关研究结果于2021年7月27日在线发表在Science期刊上，论文标题为“Structural basis of mismatch recognition by a SARS-CoV-2 proofreading enzyme”。

这些作者展示了野生型和突变型SARS-CoV-2 nsp10-nsp14与带有3′端错配的RNA底物形成的复合物的低温电镜结构，分辨率从2.5埃到3.9埃。在低温电镜技术中，蛋白样品在玻璃冰中瞬间冷却到低温，以保存它们的天然结构。这些结构揭示了ExoN底物特异性的分子决定因素，并使人们深入了解冠状病毒RNA合成过程中错配校正的分子机制。了解ExoN酶结构可以开发出与该酶结合并使其失效的分子。这些发现为合理设计改进的抗冠状病毒药物提供了指导。

论文共同通讯作者、爱荷华州立大学生物物理学与分子生物学系助理教授Yang Yang说，“如果我们能找到一种抑制这种酶的方法，也许我们用现有的核苷类抗病毒药物杀死这种病毒会取得更好的效果。了解这种结构和ExoN如何发挥作用的分子细节可以帮助指导抗病毒药物的进一步开发。”

5.Science：新技术可在体内快速进行大规模CRISPR筛选
doi:10.1126/science.abi8870

作为一种小型的快速生长的生物，斑马鱼与人类具有很多相同的基因。斑马鱼对许多生物学家来说很重要，因为他们发现斑马鱼非常适合研究一系列问题，从有机体如何发育到神经系统如何驱动行为。如今，在一项新的研究中，来自美国犹他大学、布莱根妇女医院、哈佛医学院和麻省总医院的研究人员开发出一种名为MIC-Drop的新技术，这种技术可使斑马鱼在大规模基因研究方面将变得更加强大。相关研究结果于2021年8月19日在线发表在Science期刊上，论文标题为“MIC-Drop: A platform for large-scale in vivo CRISPR screens”。论文通讯作者为犹他大学药理学与毒理学学系化学生物学家Randall Peterson博士。

MIC-Drop是一种基于crispr的新技术，可以快速有效地筛选斑马鱼中数百个基因的功能，以更好地了解人类健康和疾病。图片来自Science, 2021, doi:10.1126/science.abi8870。

MIC-Drop（Multiplexed Intermixed CRISPR Droplets, 多重混合CRISPR液滴）通过将CRISPR系统的组分包装成微观的油包液滴来解决这个问题，这些油包液滴可以在不混合其内含物的情况下混合在一起。为了用MIC-Drop对许多基因进行筛选，Peterson团队首先构建出一个gRNA文库。每个gRNA与Cas9酶一起被包装在自己的液滴中。为了跟踪靶基因，每个油包液滴还包括一个识别其内含物的DNA条形码。

Peterson团队对油包液滴的化学成分进行了微调，以确保它们保持稳定和离散性，因此针对不同基因设计的油包液滴可以混合在一起并装入同一针头。在显微镜下，MIC-Drop使用者将单个油包液滴注射到斑马鱼胚胎中，然后转到下一个胚胎并注射下一个油包液滴。这个过程可以重复数百次，向每个胚胎提供一套CRISPR组分，因此在每个胚胎中，该系统都能灭活单个基因，然后这些作者监测对斑马鱼的潜在影响。

为了展示MIC-Drop的潜力，这些作者测试188个不同的斑马鱼基因在心脏发育中的潜在作用。在构建针对这些基因的gRNA并将CRISPR系统引入数百个斑马鱼胚胎后，他们发现有一些斑马鱼在成熟后出现了心脏缺陷。利用这些斑马鱼体内的DNA条形码，他们能够将这些缺陷追溯到13个不同基因的失活。由于斑马鱼和人类基因之间的相似性，这一发现可能指向人类心脏发育中以前未知的方面。

6.Science：揭示茎螺旋特异性人类抗体可广泛中和多种β冠状病毒，从而有可能开发泛冠状病毒疫苗
doi:10.1126/science.abj3321

在过去的20年里，三种流行性或大流行性冠状病毒---SARS-CoV、MERS-CoV和SARS-CoV-2---已经从动物身上溢出，导致人类的致命疾病。研究病毒的科学家们决心发现一种方法来广泛保护人们免受新出现的冠状病毒的持续威胁。创造这种全面对策的线索可能来自于一类罕见的人类抗体，它可以中和几种不同的冠状病毒。这些抗体已经在一些从COVID-19中康复的人身上检测出来。

在一项新的研究中，来自瑞士、美国、比利时、澳大利亚和意大利的研究人员描述了对五种这样的人类单克隆抗体的研究，这些抗体可以与多种β冠状病毒发生交叉反应。这些抗体靶向结合这些β冠状病毒的刺突蛋白中的一种称为称为茎螺旋（stem helix）的结构。刺突蛋白对于β冠状病毒攻克宿主细胞的防御能力至关重要。相关研究结果于2021年8月3日在线发表在Science期刊上，论文标题为“Broad betacoronavirus neutralization by a stem helix–specific human antibody”。论文通讯作者为瑞士Vir Biotechnology公司的Davide Corti和美国华盛顿大学医学院生物化学副教授David Veesler。论文第一作者为Vir Biotechnology公司的Dora Pinto和Nadine Czudnochowski、华盛顿大学医学院的Maximilian M. Sauer以及瑞士意大利语区大学的Jun Siong Low。

SARS-CoV-2（之前称为2019-nCoV）的透射电镜图，图片来自NIAID RML。

这些作者检查了COVID-19康复期捐赠者的某些记忆B细胞。记忆B细胞是一种白细胞，能识别并应对在以前的遭遇中试图攻击身体的病原体。在他们分离出的五种有希望的抗体中，他们决定集中研究一种名为S2P6的抗体。分子结构分析和功能研究显示，这种人类单克隆抗体具有令人印象深刻的中和广度：它能够中和β冠状病毒的三种不同亚属。他们观察到，它是通过抑制β冠状病毒与细胞膜融合的能力来做到这一点。

这些作者接着测试在接触SARS-CoV-2 24小时前给仓鼠注射茎螺旋特异性抗体S2P6，然后在24小时候，让这些仓鼠接触SARS-CoV-2，观察这是否预防它们感染SARS-CoV-2。他们发现，这种抗体通过抑制这种病毒的进入和增强额外的抵抗病毒和清除病毒的细胞免疫反应来减少SARS-CoV-2的病毒载量。

7.Science：北极变化与美国的极端冬季天气存在关联
doi:10.1126/science.abi9167

尽管快速变暖是全球气候变化的主要标志，特别是在北极，那里的温度上升比世界其他地方高得多，但美国和北半球的其他地区在过去40年里经历了明显的、越来越频繁的极端寒冷的冬季天气。Cohen等人将观测和模型结合起来，证明北极变化可能是涉及他们所说的平流层极地漩涡破坏（stratospheric polar vortex disruption）连串过程的重要原因，这最终导致北部中纬度地区的极端寒冷时期。

8.Science：细胞膜上的成花素结合调节植物的温度响应性开花
doi:10.1126/science.abh4054

在小芥菜植物拟南芥中，成花素FLOWERING LOCUS T（FT）在茎尖分生组织中被调动以启动开花。Susila等人如今发现，如果环境温度不合适，在叶细胞中产生的FT可以被保留下来。在低温下，FT与一种膜磷脂结合，因此在移动性方面受到限制。在较高的温度下，这种结合不那么有利，FT被释放出来，调动到茎尖分生组织中以驱动开花。因此，对温度敏感的脂质结合有助于植物在有利的环境温度下开花。

9.Science：整合应激反应促进tRNA合成酶相关的周围神经病变
doi:10.1126/science.abb3414

普遍表达的转移RNA（tRNA）合成酶基因的显性突变导致轴突周围神经病变（axonal peripheral neuropathy），至少有六种形式的Charcot-Marie-Tooth（CMT）疾病。小鼠和果蝇模型的遗传证据表明了一种功能增益机制。在一项新的研究中，Spaulding等人用体内细胞类型特异性转录和翻译分析表明，突变的tRNA合成酶通过传感激酶GCN2（general control nonderepressible 2）激活整合应激反应（ISR）。ISR的长期激活促成了病理生理学，而Gcn2的基因缺失或药物抑制可减轻轴突周围神经病变。GCN2的激活表明，突变tRNA合成酶的异常活性仍与翻译有关，抑制GCN2或ISR可能代表CMT的一种治疗策略。（生物谷 Bioon.com）