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2020年10月16日Science期刊精华

来源:本站原创 2020-10-21 23:32

2020年10月21日讯/生物谷BIOON/---本周又有一期新的Science期刊(2020年10月16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:发育期间,顶端应力纤维不仅协助维持细胞的形状,而且也调节细胞的大小
doi:10.1126/science.abb2169


在有机体发育过程中,机械力会对细胞施加压力,科学家们长期以来一直想知道细胞如何在这个过程中保持它的形状,从而保持健康。如今,在一项新的研究中,来自法国居里研究院、索邦大学和美国密歇根大学的研究人员首次观察到细胞利用称为顶端应力纤维(apical stress fiber)的微小纤维来帮助细胞在发育过程中保持它的形状。此外,这项新的研究还显示,这些应力纤维能帮助细胞了解自身的大小,还能帮助触发细胞何时应当分裂。相关研究结果发表在2020年10月16日的Science期刊上,论文标题为“Apical stress fibers enable a scaling between cell mechanical response and area in epithelial tissue”。

这些研究人员研究了果蝇蛹胸背部或下背部中的上皮细胞。上皮细胞是构成身体表面区域的细胞。他们发现,随着果蝇蛹的发育,果蝇不断成长的身体会拉扯果蝇下背部区域的细胞,当这些力被施加时,这些细胞为此会产生应力纤维来帮助它们保持形状。

论文共同通讯作者、密歇根大学物理学教授David Lubensky博士说,“在发育过程中,你有一个卵,你需要让它成为一只果蝇。在这个过程中,你必须将不同的组织推拉到合适的位置。它的形状发生了巨大的变化,而改变形状并将东西放到正确的地方需要对它施加机械力。这些应力纤维隐约像混凝土中的钢筋,不过在细胞内部更像果冻。但想法都是一样的:这些线性纤维善于抵抗张力,这就加强了抵抗拉伸的能力。”

2.Science:当感受到挤压时,细胞核会引导细胞逃离拥挤的空间
doi:10.1126/science.aba2644; doi:10.1126/science.abe3881


严重变形的威胁会引发一种快速的逃生反射,从而使得细胞从狭小的空间或拥挤的组织中移开并挤出。在一项新的研究中,来自巴塞罗那科技研究所、庞培法布拉大学和上奥地利应用科学大学的研究人员揭示了将细胞挤压到它的细胞核开始伸展的程度,会引发运动蛋白的激活,进而改变细胞的细胞骨架,使得它能够逃离拥挤的环境。相关研究结果发表在2020年10月16日的Science期刊上,论文标题为“The nucleus measures shape changes for cellular proprioception to control dynamic cell behavior”。

每个细胞都有一个细胞核,每个细胞核都有一层将染色体与细胞的其他部分分开的膜。在静止状态下,核膜是松弛的,就像一个松散的购物袋。如今,在这项新的研究中,这些研究人员发现,当核膜受到挤压时,它表面上的褶皱会自行熨平,这会引发一连串事件,改变细胞骨架,最终帮助细胞逃离拥挤的环境。

论文第一作者、巴塞罗那科技研究所的博士生Valeria Venturini说,“我们的研究代表了一种观念变革:细胞核本身并不只是一种静态的遗传物质容器,而是一种动态的传感器,可被细胞用来感知周围的环境。细胞核拉伸的强度可预测反应的强度,这就为这种单细胞水平上的'战斗或逃跑(fight or flight)'反射提供了新的启示。了解这种感知变形、测量这种变形并做出相应反应的能力,可能对理解癌症生长和稳态等过程具有重要意义。”

3.Science:细胞核就像一把尺子,可调整细胞对拥挤空间的反应
doi:10.1126/science.aba2894; doi:10.1126/science.abe3881


在一项新的研究中,为了测试细胞具有检测和应对环境引起的它们的形状发生变化的能力的假设,来自来自奥地利、英国、法国、瑞士、俄罗斯和美国的研究人员构建出人工微环境,用于模拟肿瘤细胞和免疫细胞在拥挤的组织中经历的情形。通过结合动态限制、力测量和活细胞成像,他们能够定量确定细胞在它们的形状受到精确控制的物理扰动时所作出的反应。相关研究结果发表在2020年10月16日的Science期刊上,论文标题为“The nucleus acts as a ruler tailoring cell responses to spatial constraints”。

这些研究人员的研究结果显示,尽管细胞对压缩力具有惊人的抵抗能力,但是当它们在特定高度下变形时,它们会监测自身的形状,并产生积极的收缩反应。值得注意的是,他们发现,这是通过细胞监测它的最大内部区室---细胞核---的变形来实现的。他们确定细胞核为细胞提供了一个精确测量它的变形程度的方法。一旦细胞挤压超过了细胞核的尺寸,这就会引起边界核膜(bounding nuclear envelope)的展开和伸展。当核膜达到完全展开的状态时,收缩反应就开始了。核膜及其膜的机械状态的转变允许从内部膜储存中释放钙,并激活钙依赖性磷脂酶cPLA2。已知cPLA2作为核膜张力的分子传感器起作用,而且也是信号转导和代谢的关键调节因子。激活的cPLA2催化一种称为花生四烯酸(arachidonic acid)的Ω6脂肪酸的形成,而花生四烯酸除触发其他过程外,还能增强肌球蛋白II的三磷酸腺苷酶活性。这诱导肌球蛋白皮层(actomyosin cortex)的收缩性,产生推力来抵抗物理挤压,并在“逃避反射”机制中迅速将细胞挤出它所在的拥挤的微环境。

4.Science:颠覆常规!细胞利用脂滴抵御病毒和细菌感染机制
doi:10.1126/science.aay8085; doi:10.1126/science.abe7891


在一项新的研究中,来自西班牙多家研究机构的研究人员描述了一种新的免疫防御机制。这种机制是由能够吸引和清除入侵病原体的细胞器---脂滴(lipid droplet)---协调的。相关研究结果发表在2020年10月16日的Science期刊上 ,论文标题为“Mammalian lipid droplets are innate immune hubs integrating cell metabolism and host defense”。

脂滴是我们的细胞积累营养物的细胞器,这些营养物以脂肪的形式为细胞的功能发挥提供必要的能量。比如,脂滴为心脏的跳动、肝脏的代谢功能或肌肉的运动提供能量。论文共同通讯作者Albert Pol教授说,“脂滴就像我们细胞的储藏室,我们把以后要用的食物积累 在这里。这发生在所有真核细胞中,从酵母或昆虫到植物或哺乳动物。”

当病毒或细菌感染宿主细胞时,它们需要大量的营养物来增殖,并让它们达到脂滴。在这项新的研究中,这些研究人员发现,为了应对感染,脂滴将抗生素和抗病毒蛋白组装在一起而形成复合物,在这些复合物中,抗生素和抗病毒蛋白协同作用,对抗病原体并消灭它。 这是一种会在身体所有细胞中发挥作用的机制,而不仅仅是巨噬细胞等免疫系统细胞所特有的。在昆虫身上也观察到了这种防御策略,这说明了它在我们先天免疫进化过程中的重要性。

5.Science:新发现!肠道微生物或会影响机体的代谢过程!
doi:10.1126/science.abd6176


生活在我们机体消化系统中的10万亿个细菌或许并不是人类的,但他们似乎会像机体的心脏或肝脏一样,是我们机体不可或缺的一部分,近年来越来越多的研究报告指出,肠道微生物会直接影响从肠道运动到机体行为等多方面的生物过程;近日,一项刊登在国际杂志Science上的研究报告中,来自洛克菲勒大学等机构的科学家们通过对小鼠进行研究揭示了肠道微生物塑造机体代谢的分子机制,文章中,研究人员识别出了一种特殊类型的肠道神经元或能控制机体的血糖水平并影响机体食欲,相关研究结果或有望帮助开发治疗诸如肥胖和糖尿病等机体代谢障碍,这些疾病与机体血糖水平密切相关,同时也与肠道菌群的组成有关。

研究者Paul Muller博士指出,我们都知道,肠道微生物会产生特殊的代谢产物,其能够模拟神经递质并被肠道中的神经元细胞所检测到,如今我们发现了肠道微生物活性和宿主行为(比如进食)之间的直接关联。肠道被神经元包围着,就其本身而言,其可以被看作是一种神经系统,而肠道常常因为复杂而被研究者称之为人体的第二大脑,这些神经元能通过关注多种分子线索来帮助机体进行消化和运动,其中大部分被认为来自我们日常的饮食或肠道微生物。

6.两篇Science论文成功设计发育信号,有望为再生医学指明方向
doi:10.1126/science.abc0033; doi:10.1126/science.abb8205; doi:10.1126/science.abe4217

发育中的有机体体内的细胞跟踪它们在哪里以及它们应该做什么的方法之一是通过一类称为成形素(morphogen)的化学信号。这类信号由所谓的组织者细胞(organizer cell)产生,并通过局部组织向外扩散。随着这些信号的扩散,它们的浓度会逐渐减弱,从而准确地告诉局部细胞它们离信号源有多远。随着多个组织者细胞在生长中的有机体的关键位置大量产生不同的成形素,细胞可以构建一个三维空间地图来指导它们发育成复杂的组织,就像细胞GPS坐标系统一样。

科学家们仍在努力了解成形素的信号是如何在适当的距离内传播的,以及细胞如何被校准以在适当的时间对适当的成形素浓度做出反应。但是,这些问题很难研究,这是因为天然的成形素以许多复杂的难以定义的方式与环境相互作用。

美国加州大学旧金山分校分子与细胞药理学系主任Wendell Lim博士研究团队与英国弗朗西斯-克里克研究所的Guillaume Salbreux研究团队和Jean-Paul Vincent研究团队独立地采用了一种创新的方法从头开始设计合成成形素,而不是一次一个地解构成形素。他们的目标是研究是什么让成形素发挥作用,也许有朝一日可以构建出合成信号来协助控制组织再生或指导治疗性细胞愈合伤口或对抗癌症。相关研究结果以两篇论文的形式发表在2020年10月16日的Science期刊上,论文标题分别为“Engineering synthetic morphogen systems that can program multicellular patterning”和“Patterning and growth control in vivo by an engineered GFP gradient”。

Lim团队利用一种名为绿色荧光蛋白(GFP)的惰性分子开始研究,细胞通常不对这种分子作出反应。为了让细胞有能力对这种新信号做出反应,他们使用特殊类型的抗体来创建GFP反应性受体,即对GFP作出反应的受体。他们通过将编码这些受体的基因插入到实验室培养皿中的细胞,并将它们与之前开发的一种名为SynNotch的细胞控制系统连接起来。

当这些研究人员指示位于培养皿一端的一部分组织者细胞产生GFP时,从这一部分组织者细胞中扩散开来的GFP激活了这些工程受体(即前面提及的GFP反应性受体),并在周围的细胞中赋予了模式化的基因活性。

7.Science:开发出比水基水凝胶更滑溜的脂基边界润滑水凝胶
doi:10.1126/science.aay8276; doi:10.1126/science.abd3831


在一项新的研究中,来自以色列魏茨曼科学研究所的研究人员开发出一种基于脂质的边界润滑水凝胶(lipid-based boundary-lubricated hydrogel,下称脂基边界润滑水凝胶),它比基于水的水凝胶(water-based hydrogel,下称水基水凝胶)更滑溜。相关研究结果发表在2020年10月16日的Science期刊上,论文标题为“Cartilage-inspired, lipid-based boundary-lubricated hydrogels”。在这篇论文中,他们描述了他们开发这种新型水凝胶的灵感来源以及它在测试时的表现。美国康涅狄格大学健康中心口腔医学院的Tannin Schmidt在同期Science期刊上发表了一篇标题为“Lubricating lipids in hydrogels”的评论类型文章,概述了这项新的研究,并提出了它的可能用途。

水凝胶被广泛用于各种应用,包括生物医学(包括牙科)、工程和特定应用的传感器(如肛门检查用的肛门镜)。它们的主要优点之一是滑溜(slipperiness),这可以减少零件之间的摩擦---减少摩擦就可以减少磨损。而正如Schmidt所指出的那样,大多数水凝胶都是由被困在基底材料中的液体而变得滑溜的。在这项新的研究中,这些研究人员从动物产生的防止关节间摩擦的润滑剂(驻留在软骨中)是脂质的知识入手。这种润滑剂可以让大多数人活上几十年而不会出现关节退化。受自然界设计的启发,这些研究人员试图复制这种润滑剂,同时也复制保持滑溜的机制。在动物身上,这种润滑剂必须不断更换,这是因为它会失去效力。

这些研究人员设计的原理是将少量的磷脂酰胆碱脂质加入到水基水凝胶中,在那里,这些脂质在没有帮助的情况下迁移到这种水凝胶的外表面,从而仅使得它的表面更滑溜。当这种水凝胶的表面上的脂质被磨损或丢失时,这些脂质会继续迁移到外表面,从而持久地提供润滑剂。

8.Science:作弊者并不总是赢家---合作的物种表现得更好
doi:10.1126/science.abb6703


健康的人际关系的标志是你付出多少,得到多少。自然界有它自己的健康关系。互利共生(mutualism)是指物种之间的相互作用,对每个物种都有利。一个例子是植物和传粉者之间的互动:苹果树被授粉,蜜蜂得到花蜜作为食物奖励。但是,是什么让互利共生在自然界中持续存在呢?如果像花蜜这样的奖励是免费提供的,那么这是否会让互利共生更容易被其他生物拿走这些奖励而不提供服务作为回报?

在一项新的研究中,来自美国雪城大学、马萨诸塞大学波士顿分校和Zayo集团的研究人员研究了这个问题。他们探究了简单的互利共生群体和复杂的互利共生群体的能力,比较了它们如何对付作弊者。作弊者是偷取互利共生的益处而不提供任何回报的物种。花蜜掠夺者就是大自然作弊者的一个例子。掠夺花蜜的蜜蜂通过通过咀嚼花的侧面来获取花蜜,而不会接触到参与授粉的花朵部分。相关研究结果发表在2020年10月16日的Science期刊上,论文标题为“Species richness and redundancy promote persistence of exploited mutualisms in yeast”。论文通讯作者为雪城大学的Kari Segraves、David Althoff和Mayra Vidal。

9.Science:新研究详细揭示人类正常心脏和衰竭心脏中的代谢组学特征
doi:10.1126/science.abc8861


在一项新的研究中,来自美国宾夕法尼亚大学、普林斯顿大学和费城儿童医院的研究人员提供了人类心脏使用燃料和营养物的详细情况。这项研究是同类研究中的第一次,它对数十名人类参与者的循环系统不同部位的血液进行同步采样,以记录流进和流出跳动的心脏的相关分子的水平。由此产生的数据揭示了正常心脏以及衰竭心脏中燃料使用的关键特征,从而为研究健康和患病的心脏建立了一个新的框架。相关研究结果发表在2020年10月16日的Science期刊上,论文标题为“Comprehensive quantification of fuel use by the failing and nonfailing human heart”。

论文通讯作者、宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院心血管代谢项目主任Zoltan Arany博士说,“在这种细节水平上了解心脏如何处理燃料和营养物应当为未来开发治疗心力衰竭和相关疾病的方法提供信息。如今,我们清楚地了解了心脏如何为自己提供燃料,我们可以将目光放在设计改善心力衰竭患者的心脏代谢的方法上。”

10.Science:揭示神经元类型如何编码行为状态
doi:10.1126/science.abb2494


分子定义的细胞类型对刺激和状态的神经编码有何贡献?Xu等人旨在评估小鼠下丘脑室旁(paraventricular hypothalamus)中多种行为状态的神经表征。为了实现这一目标,他们将深脑双光子成像与接受成像的细胞中基因表达的事后验证相结合。多个神经元簇的神经反应可以很好地预测行为状态。一些神经元簇被广泛地调整并对多种行为状态的解码做出了很大的贡献,而另一些神经元簇则对某些行为或行为状态的特定时间窗口有更具体的调整。

11.Science:揭示细胞感知来自外部蛋白的氨基酸的复杂机制
doi:10.1126/science.aaz0863


细胞感知来自外部蛋白的氨基酸的方式是通过微胞饮作用吸收这些蛋白,然后在溶酶体中降解,这与它们感知通过质膜中的转运体吸收的外部氨基酸的方式不同。这两种氨基酸来源最终都会激活蛋白激酶复合物mTORC1。然而,Hesketh等人发现,体外培养的人体细胞通过一种独立于控制mTORC1激活以响应外部氨基酸的Rag GTP酶的机制,在晚期内体中感知来自外源蛋白的氨基酸。此外,GATOR GTP酶对mTORC1的激活具有抑制作用,以应对通过溶酶体处理的蛋白,这与它在感知跨过质膜吸收氨基酸方面的作用相反。

12.Science:揭示强效HIV抑制剂GS-6207的作用机制
doi:10.1126/science.abb4808


目前的HIV治疗需要必须每天服用药物,如果有一种有效的长效药物,护理工作将得到改善。GS-6207(Lenacapavir)是吉利德科学公司开发的一种药物,显示出6个月给药间隔的潜力,正在进行2/3期临床试验。Bester等人描述了结构和生物物理研究,为GS-6207的强效抗病毒活性提供了基础。HIV的衣壳是圆锥状的,GS-6207能结合两个相邻的衣壳亚基,并让弯曲的衣壳保持稳定。GS-6207还能干扰在病毒感染中起作用的辅助因子对衣壳的结合。对GS-6207活性的这一见解为合理开发改进的长效疗法提供了平台。(生物谷 Bioon.com)

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