2020年1月31日Science期刊精华，我国科学家同期发表一篇Science论文
来源：本站原创 2020-02-07 11:52
2020年2月7日讯/生物谷BIOON/---本周又有一期新的Science期刊（2020年1月31日）发布，它有哪些精彩研究呢？让小编一一道来。1.Science：在神经元突起中，单核糖体偏好性地翻译突触mRNAdoi:10.1126/science.aay4991RNA测序和原位杂交揭示了神经元树突和轴突中存在意想不到的大量RNA种类，而且许多研究已经记
2020年2月7日讯/生物谷BIOON/---本周又有一期新的Science期刊（2020年1月31日）发布，它有哪些精彩研究呢？让小编一一道来。
1.Science：在神经元突起中，单核糖体偏好性地翻译突触mRNA
doi:10.1126/science.aay4991
RNA测序和原位杂交揭示了神经元树突和轴突中存在意想不到的大量RNA种类，而且许多研究已经记录了蛋白在这些区室中的局部翻译。在信使RNA（mRNA）的翻译过程中，多个核糖体可以同时占据单个mRNA（一种称为多核糖体的复合物），从而导致编码蛋白的多个拷贝产生。多核糖体通常在电子显微镜图片中被识别为由三个或三个以上的核糖体组成的核糖体簇。多核糖体已在神经元树突中检测到，但是令人吃惊的是，鉴于存在于树突和轴突中的mRNA多样性，多核糖体并不常见。在神经元突起（neuronal processes，分为树突和轴突）中，翻译的特征和机制尚未详细探讨，这部分上是因为树突和轴突相对难以接近。
在一项新的研究中，来自德国马克斯普朗克脑研究所的研究人员研究了一组多样化的神经元蛋白如何可能由在体积较小的突触中存在的有限数量的多核糖体合成。相关研究结果发表在2020年1月31日的Science期刊上，论文标题为“Monosomes actively translate synaptic mRNAs in neuronal processes”。
在成年啮齿动物的大脑中，这些研究人员在体内检测到突触神经纤维网（一个富含神经元轴突和树突的区域）中正在进行的大量蛋白合成，并且提供直接证据表明单核糖体偏好地翻译大量的突触前转录本和突触后转录本。单核糖体参与树突和轴突中活性多肽的延伸。大多数转录本在胞体和神经纤维网中均表现出类似的M/P偏好性，这表明核糖体占用通常是转录本的内在特征。几种mRNA转录本表现出对单核糖体或多核糖体的偏好性，这种偏好性的变化取决于转录本所在的神经元区室；这些mRNA编码一些与突触可塑性相关的蛋白。总体而言，神经纤维网表现出对单核糖体翻译的偏好性。单核糖体偏好性转录本在神经纤维网中编码了一系列从低丰度到高丰度的蛋白。
在这项新的研究中，这些研究人员研究了神经元突起中的翻译全貌（translational landscape），并确定了80S单核糖体的局部翻译是突触蛋白的重要来源。定位于神经纤维网中的转录本（即神经纤维网转录本）表现出比胞体转录本更高的单核糖体偏好性，从而潜在地允许利用突触中有限的可用核糖体数量产生一组多样化的蛋白。因此，这一发现弥合了神经元突起中可视化观察到的翻译复合物的相对匮乏与局部翻译的实际测量值之间的差距。考虑到树突棘（dendritic spine，树突分枝上的棘状突起，也是神经元间形成突触的主要部位）和突触扣结（axonal bouton）的空间限制，突触活性还可以调节单核糖体翻译，从而使局部蛋白质组在时间和空间上具有多样性。
2.Science：重大进展！揭示内质网通过接触调节无膜细胞器的生物发生和裂变
doi:10.1126/science.aay7108; doi:10.1126/science.aba3771
在一项新的研究中，来自美国科罗拉多大学的研究人员发现内质网与细胞中的至少两个无膜区室（membraneless compartment）接触并影响它们的影响。相关研究结果发表在2020年1月31日的 Science期刊上，论文标题为“Endoplasmic reticulum contact sites regulate the dynamics of membraneless organelles”。他们在这篇论文中描述了他们对人细胞进行活细胞荧光显微 镜观察以及他们取得的研究结果。
先前的研究已表明，细胞器在网络中相互连接，从而使得诸如代谢产物之类的物质通过液泡和细胞器边界接触部位得以运输。先前的研究还表明，内质网充当细胞内的枢纽，并与细胞中几乎 所有其他的含膜细胞器（membraned organelle）物理连接。在这项新的研究中，这些研究人员发现了内质网也与无膜的核糖核蛋白（RNP）颗粒有接触点的证据。
无膜细胞器是生物分子凝聚物，它们凝结在一起，在细胞内部形成一个团块或整个大分子团。两种这样的无膜细胞器是应激颗粒和处理小体（P-bodies），它们都被认为是有代表性的细胞器 并位于细胞质中。无膜细胞器也在细胞核中发现到。先前的研究已表明，无膜细胞器之间的相互作用通常是通过低亲和力的多价蛋白与蛋白，RNA与蛋白以及RNA与RNA之间的相互作用进行的。
为了更好地了解内质网及其接触物，这些研究人员使用了活细胞荧光显微镜---使用磷光和荧光以突出显示有机物质的不同部分。内质网图像显示内质网的小管结构在空间和时间上与两种RNP 颗粒的裂变位点动态连接，而且还与应激颗粒和处理小体动态连接。他们发现内质网与处理小体或应力颗粒之间的大多数相互作用是稳定的，并且与膜接触位点相类似。他们猜测这些连接允 许由蛋白和RNA自组装而形成的液体状液滴（liquid-like droplet）之间交换mRNA。在液体状液滴中，mRNA保持沉默直到它们到达内质网中的表达位点。
3.Science：新研究为精神分裂症的遗传起源提供新线索
doi:10.1126/science.aay8833
在一项新的研究中，来自美国华盛顿大学、哥伦比亚大学和南非开普敦大学等研究机构的研究人员首次对非洲祖先人群---南非科萨人（Xhosa）---进行精神分裂症遗传学分析。相关研究结果 发表在2020年1月31日的Science期刊上，论文标题为“Genetics of schizophrenia in the South African Xhosa”。
这项研究是在科萨人群中进行的，这是因为非洲是所有人的诞生地，然而非洲祖先群体很少成为遗传学研究的重点。（没有证据表明科萨人有极高的精神分裂症风险）。这些研究人员分析了 从909个经诊断患有精神分裂症的人和917个生活在南非的对照者体内采集的血液样本。他们的研究表明，与没有精神分裂症的对照者相比，患有精神分裂症的人更有可能携带罕见的破坏性的 基因突变。这些罕见的突变也更有可能影响大脑和突触功能。神经突触协调神经元之间的通讯；神经突触的分布和激发最终负责学习、记忆和脑功能。
这些研究人员说，这项研究鉴定出的基因和途径有助于了解所有人群的精神分裂症风险。在非洲人群中开展的进一步研究也可能为设计更有效的治疗提供潜在机制。
4.Science：重大突破！中美科学家联手挑战人们对基因表达的理解
doi:10.1126/science.aay6018
在一项新的研究中，来自中国科学院、同济大学、清华大学、南京医科大学和美国芝加哥大学的研究人员发现了一种以前不为人知的方式，使我们的基因表达成为现实。他们发现RNA本身可以 调节DNA的转录方式，而不是遗传指令从DNA到RNA再到蛋白的单向流动。这一发现对我们理解人类疾病和药物设计具有重要意义。相关研究结果于2020年1月16日在线发表在Science期刊上，论 文标题为“N6-methyladenosine of chromosome-associated regulatory RNA regulates chromatin state and transcription”。论文通讯作者为中国科学院北京基因组研究所的韩大力 （Dali Han）博士、同济大学生命科学与技术学院的高亚威（Yawei Gao）博士和芝加哥大学的Chuan He博士。
这些研究人员发现，之前认为仅是将来自DNA的指令传递给蛋白的信使RNA（mRNA）分子实际上对蛋白产生发挥了它们自己的影响。这是通过一种称为甲基化的可逆化学反应完成的。这项研究 的关键突破是证实这种甲基化是可逆的。这不是一次性单向交易。它可以被擦除和逆转。
他们还发现一组称为染色体相关调控RNA（chromosome-associated regulatory RNA, carRNA）的RNA使用相同的RNA甲基化过程，但是它们并不编码蛋白，也不直接参与蛋白表达。但是，它们 控制着DNA本身如何存储和转录。
5.Science：揭示小胶质细胞监测和保护神经元机制
doi:10.1126/science.aax6752; doi:10.1126/science.aba4472
小胶质细胞是中枢神经系统的主要免疫细胞，它们的活性变化与包括中风、癫痫、精神疾病和神经退化在内的主要人类疾病有关。Cserép等人在小鼠和人类大脑的小胶质细胞过程和神经元胞体之间鉴定出一个特殊的形态功能通讯位点。小胶质细胞-神经元连接在神经体细胞膜的特定区域形成，具有与线粒体信号相关的独特纳米结构和特殊分子组成。这些连接似乎为小胶质细胞-神经元交流提供了一个主要的位点，并可能有助于调节急性脑损伤后小胶质细胞的神经保护作用。
6.Science：揭示纹状体中的学习机制
doi:10.1126/science.aaz5751
纹状体的一个有趣特征是纹状体投射神经元（striatal projection neuron, SPN）中多巴胺受体1型（D1）和2型（D2）的表达之间的随机空间分布和高度混杂。由此产生的高度熵镶嵌延伸穿过均匀的空间，并且几乎没有组织学边界。因此，由表达D1和D2的SPN（D1-SPN和D2-SPN）在局部建立的规则对于确定功能区域如何在整个纹状体中产生可能至关重要。 Matamales等人发现激活的D2-SPN访问并修改了由区域限制的转录活性D1-SPN集群编码的发育行为程序。这一过程很慢，这是因为它取决于加性神经调节信号的分子整合。 但是，随着时间的推移，它会构建区域功能边界，这对于识别和塑造纹状体中的特定学习是必不可少的。
7.Science：基于机器学习确定电子衍射中的晶体对称性
doi:10.1126/science.aay3062
电子背散射衍射（electron backscatter diffraction）是确定晶体结构的一种标准技术，通常用于确定材料或地质样品的晶体结构。但是，此方法需要结构猜测和用户输入，这通常很耗时或引入错误。Kaufmann等人开发出一种使用卷积神经网络的通用方法，该方法可自动快速准确地确定晶体结构。在卷积神经网络暴露于训练集之后，它在大部分时间里可以在无需任何额外输入的情况下识别晶体结构，从而提供了一种从晶体结构确定中清除某些猜测的方法。
8.Science：靶向白血病前期细胞有望治疗AML
doi:10.1126/science.aax5863
最近的技术进步使得在健康个体中检测可能发展为血液癌症的癌变前血细胞（premalignant blood cell）成为可能。早期检测的这些进展激发了人们对“癌症截留（cancer interception）”的兴趣，“癌症截留”指的是旨在治疗晚期癌症的药物也可能对预防癌症有用。Uckelmann等人如今在遗传上容易患上急性髓性白血病（AML）的小鼠的研究中，为这一概念提供了支持。较早给予之前已被证实在晚期白血病模型中具有抗癌活性的表观遗传药物能够消除白血病前期细胞（preleukemia cell）并延长这些小鼠的生存期。
9.Science：利用经过基因改造的肠道细菌激活蜜蜂的免疫防御，限制病原体
doi:10.1126/science.aax9039; doi:10.1126/science.aba6135
蜜蜂很容易被蜂螨（Varroa mite）寄生，蜂螨是多种蜜蜂病原体的媒介。然而，蜜蜂也是共生肠道细菌Snodgrassella alvi的宿主。Leonard等人对Snodgrassella alvi进行基因改造，使得它们利用一种含有两个带有荧光标记的反向启动子的质粒产生双链RNA（dsRNA），以刺激昆虫RNA干扰防御反应。这种dsRNA模块可以靶向干扰特定的蜜蜂基因以及至关重要的病毒基因和蜂螨基因。这些作者发现，当Snodgrassella alvi在蜜蜂的肠道中建立并持续表达dsRNA构建体时，它可以阻断基因表达至少15天。携带经过特异性改造的质粒的Snodgrassella alvi不仅抑制翅膀残缺病毒（deformed wing virus）感染，而且还有效降低蜂螨的生存。
图片来自Science期刊。
1.Science：在神经元突起中，单核糖体偏好性地翻译突触mRNA
doi:10.1126/science.aay4991
RNA测序和原位杂交揭示了神经元树突和轴突中存在意想不到的大量RNA种类，而且许多研究已经记录了蛋白在这些区室中的局部翻译。在信使RNA（mRNA）的翻译过程中，多个核糖体可以同时占据单个mRNA（一种称为多核糖体的复合物），从而导致编码蛋白的多个拷贝产生。多核糖体通常在电子显微镜图片中被识别为由三个或三个以上的核糖体组成的核糖体簇。多核糖体已在神经元树突中检测到，但是令人吃惊的是，鉴于存在于树突和轴突中的mRNA多样性，多核糖体并不常见。在神经元突起（neuronal processes，分为树突和轴突）中，翻译的特征和机制尚未详细探讨，这部分上是因为树突和轴突相对难以接近。
在一项新的研究中，来自德国马克斯普朗克脑研究所的研究人员研究了一组多样化的神经元蛋白如何可能由在体积较小的突触中存在的有限数量的多核糖体合成。相关研究结果发表在2020年1月31日的Science期刊上，论文标题为“Monosomes actively translate synaptic mRNAs in neuronal processes”。
在成年啮齿动物的大脑中，这些研究人员在体内检测到突触神经纤维网（一个富含神经元轴突和树突的区域）中正在进行的大量蛋白合成，并且提供直接证据表明单核糖体偏好地翻译大量的突触前转录本和突触后转录本。单核糖体参与树突和轴突中活性多肽的延伸。大多数转录本在胞体和神经纤维网中均表现出类似的M/P偏好性，这表明核糖体占用通常是转录本的内在特征。几种mRNA转录本表现出对单核糖体或多核糖体的偏好性，这种偏好性的变化取决于转录本所在的神经元区室；这些mRNA编码一些与突触可塑性相关的蛋白。总体而言，神经纤维网表现出对单核糖体翻译的偏好性。单核糖体偏好性转录本在神经纤维网中编码了一系列从低丰度到高丰度的蛋白。
在这项新的研究中，这些研究人员研究了神经元突起中的翻译全貌（translational landscape），并确定了80S单核糖体的局部翻译是突触蛋白的重要来源。定位于神经纤维网中的转录本（即神经纤维网转录本）表现出比胞体转录本更高的单核糖体偏好性，从而潜在地允许利用突触中有限的可用核糖体数量产生一组多样化的蛋白。因此，这一发现弥合了神经元突起中可视化观察到的翻译复合物的相对匮乏与局部翻译的实际测量值之间的差距。考虑到树突棘（dendritic spine，树突分枝上的棘状突起，也是神经元间形成突触的主要部位）和突触扣结（axonal bouton）的空间限制，突触活性还可以调节单核糖体翻译，从而使局部蛋白质组在时间和空间上具有多样性。
2.Science：重大进展！揭示内质网通过接触调节无膜细胞器的生物发生和裂变
doi:10.1126/science.aay7108; doi:10.1126/science.aba3771
在一项新的研究中，来自美国科罗拉多大学的研究人员发现内质网与细胞中的至少两个无膜区室（membraneless compartment）接触并影响它们的影响。相关研究结果发表在2020年1月31日的 Science期刊上，论文标题为“Endoplasmic reticulum contact sites regulate the dynamics of membraneless organelles”。他们在这篇论文中描述了他们对人细胞进行活细胞荧光显微 镜观察以及他们取得的研究结果。
先前的研究已表明，细胞器在网络中相互连接，从而使得诸如代谢产物之类的物质通过液泡和细胞器边界接触部位得以运输。先前的研究还表明，内质网充当细胞内的枢纽，并与细胞中几乎 所有其他的含膜细胞器（membraned organelle）物理连接。在这项新的研究中，这些研究人员发现了内质网也与无膜的核糖核蛋白（RNP）颗粒有接触点的证据。
无膜细胞器是生物分子凝聚物，它们凝结在一起，在细胞内部形成一个团块或整个大分子团。两种这样的无膜细胞器是应激颗粒和处理小体（P-bodies），它们都被认为是有代表性的细胞器 并位于细胞质中。无膜细胞器也在细胞核中发现到。先前的研究已表明，无膜细胞器之间的相互作用通常是通过低亲和力的多价蛋白与蛋白，RNA与蛋白以及RNA与RNA之间的相互作用进行的。
为了更好地了解内质网及其接触物，这些研究人员使用了活细胞荧光显微镜---使用磷光和荧光以突出显示有机物质的不同部分。内质网图像显示内质网的小管结构在空间和时间上与两种RNP 颗粒的裂变位点动态连接，而且还与应激颗粒和处理小体动态连接。他们发现内质网与处理小体或应力颗粒之间的大多数相互作用是稳定的，并且与膜接触位点相类似。他们猜测这些连接允 许由蛋白和RNA自组装而形成的液体状液滴（liquid-like droplet）之间交换mRNA。在液体状液滴中，mRNA保持沉默直到它们到达内质网中的表达位点。
3.Science：新研究为精神分裂症的遗传起源提供新线索
doi:10.1126/science.aay8833
在一项新的研究中，来自美国华盛顿大学、哥伦比亚大学和南非开普敦大学等研究机构的研究人员首次对非洲祖先人群---南非科萨人（Xhosa）---进行精神分裂症遗传学分析。相关研究结果 发表在2020年1月31日的Science期刊上，论文标题为“Genetics of schizophrenia in the South African Xhosa”。
这项研究是在科萨人群中进行的，这是因为非洲是所有人的诞生地，然而非洲祖先群体很少成为遗传学研究的重点。（没有证据表明科萨人有极高的精神分裂症风险）。这些研究人员分析了 从909个经诊断患有精神分裂症的人和917个生活在南非的对照者体内采集的血液样本。他们的研究表明，与没有精神分裂症的对照者相比，患有精神分裂症的人更有可能携带罕见的破坏性的 基因突变。这些罕见的突变也更有可能影响大脑和突触功能。神经突触协调神经元之间的通讯；神经突触的分布和激发最终负责学习、记忆和脑功能。
这些研究人员说，这项研究鉴定出的基因和途径有助于了解所有人群的精神分裂症风险。在非洲人群中开展的进一步研究也可能为设计更有效的治疗提供潜在机制。
4.Science：重大突破！中美科学家联手挑战人们对基因表达的理解
doi:10.1126/science.aay6018
在一项新的研究中，来自中国科学院、同济大学、清华大学、南京医科大学和美国芝加哥大学的研究人员发现了一种以前不为人知的方式，使我们的基因表达成为现实。他们发现RNA本身可以 调节DNA的转录方式，而不是遗传指令从DNA到RNA再到蛋白的单向流动。这一发现对我们理解人类疾病和药物设计具有重要意义。相关研究结果于2020年1月16日在线发表在Science期刊上，论 文标题为“N6-methyladenosine of chromosome-associated regulatory RNA regulates chromatin state and transcription”。论文通讯作者为中国科学院北京基因组研究所的韩大力 （Dali Han）博士、同济大学生命科学与技术学院的高亚威（Yawei Gao）博士和芝加哥大学的Chuan He博士。
这些研究人员发现，之前认为仅是将来自DNA的指令传递给蛋白的信使RNA（mRNA）分子实际上对蛋白产生发挥了它们自己的影响。这是通过一种称为甲基化的可逆化学反应完成的。这项研究 的关键突破是证实这种甲基化是可逆的。这不是一次性单向交易。它可以被擦除和逆转。
他们还发现一组称为染色体相关调控RNA（chromosome-associated regulatory RNA, carRNA）的RNA使用相同的RNA甲基化过程，但是它们并不编码蛋白，也不直接参与蛋白表达。但是，它们 控制着DNA本身如何存储和转录。
5.Science：揭示小胶质细胞监测和保护神经元机制
doi:10.1126/science.aax6752; doi:10.1126/science.aba4472
小胶质细胞是中枢神经系统的主要免疫细胞，它们的活性变化与包括中风、癫痫、精神疾病和神经退化在内的主要人类疾病有关。Cserép等人在小鼠和人类大脑的小胶质细胞过程和神经元胞体之间鉴定出一个特殊的形态功能通讯位点。小胶质细胞-神经元连接在神经体细胞膜的特定区域形成，具有与线粒体信号相关的独特纳米结构和特殊分子组成。这些连接似乎为小胶质细胞-神经元交流提供了一个主要的位点，并可能有助于调节急性脑损伤后小胶质细胞的神经保护作用。
6.Science：揭示纹状体中的学习机制
doi:10.1126/science.aaz5751
纹状体的一个有趣特征是纹状体投射神经元（striatal projection neuron, SPN）中多巴胺受体1型（D1）和2型（D2）的表达之间的随机空间分布和高度混杂。由此产生的高度熵镶嵌延伸穿过均匀的空间，并且几乎没有组织学边界。因此，由表达D1和D2的SPN（D1-SPN和D2-SPN）在局部建立的规则对于确定功能区域如何在整个纹状体中产生可能至关重要。 Matamales等人发现激活的D2-SPN访问并修改了由区域限制的转录活性D1-SPN集群编码的发育行为程序。这一过程很慢，这是因为它取决于加性神经调节信号的分子整合。 但是，随着时间的推移，它会构建区域功能边界，这对于识别和塑造纹状体中的特定学习是必不可少的。
7.Science：基于机器学习确定电子衍射中的晶体对称性
doi:10.1126/science.aay3062
电子背散射衍射（electron backscatter diffraction）是确定晶体结构的一种标准技术，通常用于确定材料或地质样品的晶体结构。但是，此方法需要结构猜测和用户输入，这通常很耗时或引入错误。Kaufmann等人开发出一种使用卷积神经网络的通用方法，该方法可自动快速准确地确定晶体结构。在卷积神经网络暴露于训练集之后，它在大部分时间里可以在无需任何额外输入的情况下识别晶体结构，从而提供了一种从晶体结构确定中清除某些猜测的方法。
8.Science：靶向白血病前期细胞有望治疗AML
doi:10.1126/science.aax5863
最近的技术进步使得在健康个体中检测可能发展为血液癌症的癌变前血细胞（premalignant blood cell）成为可能。早期检测的这些进展激发了人们对“癌症截留（cancer interception）”的兴趣，“癌症截留”指的是旨在治疗晚期癌症的药物也可能对预防癌症有用。Uckelmann等人如今在遗传上容易患上急性髓性白血病（AML）的小鼠的研究中，为这一概念提供了支持。较早给予之前已被证实在晚期白血病模型中具有抗癌活性的表观遗传药物能够消除白血病前期细胞（preleukemia cell）并延长这些小鼠的生存期。
9.Science：利用经过基因改造的肠道细菌激活蜜蜂的免疫防御，限制病原体
doi:10.1126/science.aax9039; doi:10.1126/science.aba6135
蜜蜂很容易被蜂螨（Varroa mite）寄生，蜂螨是多种蜜蜂病原体的媒介。然而，蜜蜂也是共生肠道细菌Snodgrassella alvi的宿主。Leonard等人对Snodgrassella alvi进行基因改造，使得它们利用一种含有两个带有荧光标记的反向启动子的质粒产生双链RNA（dsRNA），以刺激昆虫RNA干扰防御反应。这种dsRNA模块可以靶向干扰特定的蜜蜂基因以及至关重要的病毒基因和蜂螨基因。这些作者发现，当Snodgrassella alvi在蜜蜂的肠道中建立并持续表达dsRNA构建体时，它可以阻断基因表达至少15天。携带经过特异性改造的质粒的Snodgrassella alvi不仅抑制翅膀残缺病毒（deformed wing virus）感染，而且还有效降低蜂螨的生存。
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