2021年4月9日Science期刊精华

2021年4月12日讯/生物谷BIOON/---本周又有一期新的Science期刊（2021年4月9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：揭示蛋白QSER1保护DNA甲基化谷免受新生甲基化
doi:10.1126/science.abd0875; doi:10.1126/science.abh3187

DNA甲基化对哺乳动物的发育至关重要，它的失调可导致严重的病理状况，包括免疫缺陷-着丝粒不稳定-面部异常综合征（immunodeficiency-centromeric instability-facial anomalies syndrome, ICF）和小脑性侏儒症（microcephalic dwarfism）。酶DNMT和TET负责DNA甲基化的添加和去除，但它们如何协调调节甲基化景观仍然是一个核心问题。

在一项新的研究中，通过使用一种基因敲入的DNA甲基化报告基因，美国研究人员在人胚胎干细胞（hESC）中进行了全基因组CRISPR-Cas9筛选，以发现DNA甲基化调节因子。相关研究结果发表在2021年4月9日的Science期刊上，论文标题为“QSER1 protects DNA methylation valleys from de novo methylation”。

这些作者重点研究了二价启动子（bivalent promoter），其定义为同时存在激活性（H3K4me3）和抑制性（H3K27me3）组蛋白标记，并且通常由多梳抑制复合物1和2（PRC1和PRC2）占据。在干细胞或祖细胞中，二价启动子被认为将发育调节因子维持在“蓄势待发的状态”，准备在分化时激活，并且它们对在功能失调的细胞背景（比如癌症或衰老）下的DNA高度甲基化敏感。构建一种基因敲入DNA甲基化报告细胞系提供了一个可视化观察表观遗传改变的绝佳机会，否则在干细胞状态下，基因表达变化是“看不见的”。通过使用PAX6 P0二价启动子作为代表位点，这些作者旨在在具有类似染色质特征的区域发现调节DNA甲基化的机制，这不仅可以了解发育过程中的基因调控，也可以了解疾病中的表观遗传失调。

他们的筛选不仅成功地发现了已知的甲基化调节因子，如TET1、TDG和KDM2B，而且还发现了功能上未被描述的基因，包括QSER1。像TET蛋白一样，QSER1保护二价启动子和准备好的增强子（以H3K4me1为标志，但不以H3K27ac为标志）免受高度甲基化的影响。然而，与TET蛋白对调控区域的更普遍的保护作用不同，QSER1优先保护PRC2结合和H3K27me3标记的区域和DNA甲基化谷（DNA methylation valley, DMV）。

2.Science：利用新开发的intMEMOIR系统追踪细胞谱系
doi:10.1126/science.abb3099

细胞谱系在发育、稳态和疾病期间的细胞命运决定中起着关键作用。直接在细胞谱系的天然组织背景下可视化观察细胞谱系关系的能力可以对内在和外在因素在细胞命运决定中的作用提供新的见解。受从自然发生的体细胞突变中恢复谱系信息的启发，工程化谱系记录系统积极地在确定的基因组靶位点产生随机的、可遗传的突变，识别单个细胞中的这些编辑，并利用它们重建细胞谱系。然而，大多数现有的记录系统都依赖于测序来读出这些编辑，这必然会破坏组织。因此，科学家们需要一种能够准确地基于成像地在原位读出单细胞编辑历史和转录状态的记录系统。

为了解决这一挑战，美国研究人员开发出一种基于位点特异性丝氨酸整合酶（如Bxb1）的数字化、图像可读的谱系记录系统。这种称为intMEMOIR（integrase-editable memory by engineered mutagenesis with optical in situ readout）的系统引入了基于10个三态记忆元件阵列的设计。每个记忆元素都可以被数字化和不可逆地编辑，以产生理论上最多310（59049）个不同的编辑结果。这些数字状态可以使用荧光原位杂交（FISH）方法与内源性转录本一起被读出。此外，这些阵列可以在确定的基因组位点进行整合，以实现生殖系遗传性。编辑可以在不同的有机体和背景下操作，包括小鼠胚胎干细胞（mESC）和黑腹果蝇胚胎。相关研究结果发表在2021年4月9日的Science期刊上，论文标题为“Imaging cell lineage with a synthetic digital recording system”。

intMEMOIR支持同时分析细胞谱系、状态和空间结构。图片来自Science, 2021, doi:10.1126/science.abb3099。

intMEMOIR可以同时分析同一组织中的单细胞谱系、基因表达和空间结构。这种能力使得它能够直接捕捉其他隐藏的关系，如在这项研究展示的果蝇大脑发育的例子那样。intMEMOIR应当很容易适应其他的模型生物和发育背景。此外，通过增加更多的记忆阵列和正交整合酶，该系统可以扩展，以实现更深的谱系树重建和多个记录“通道”。因此， intMEMOIR应当有助于创建整合谱系和空间信息以及分子剖面的细胞图谱。

3.Science：揭示脂肪酸光脱羧酶作用机制
doi:10.1126/science.abd5687

光致酶（photoenzyme）是一种罕见的生物催化剂，在每个催化循环中都会吸收一个光子；它们激发了具有重要活性的人工光致酶的开发。脂肪酸光脱羧酶（fatty acid photodecarboxylase, FAP）是一种天然的光致酶，在基于生物的碳氢化合物生产中具有潜在的应用价值，但其机制还远未被完全了解。

为了阐明FAP的作用机理，法国研究人员利用一系列技术，包括静态和时间分辨的晶体学和光谱学，以及生化和计算方法，研究了小球藻（ Chlorella variabilis）的野生型FAP及其活性位点残基发生变化的变体。相关研究结果发表在2021年4月9日的Science期刊上，论文标题为“Mechanism and dynamics of fatty acid photodecarboxylase”。

这些作者解析出分辨率为1.8埃的小球藻FAP的X射线晶体结构，该结构揭示出一个密集的氢键网络将脂肪酸羧基定位在黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）辅因子附近。

这些作者对FAP的光驱动碳氢化合物的形成进行了详细而全面的表征， FAP使用了非常复杂的机制，包括独特的催化步骤。他们预计，这些研究结果将有助于扩展绿色化学工具包。

4.Science：揭示促进受损心脏中心肌细胞再生的核心转录调节因子Klf1
doi:10.1126/science.abe2762

在人类中，受损和伤痕累累的心肌无法自我替换。虽然人类的心脏再生能力很弱，但斑马鱼可以通过一种机制来再生心脏，在这种机制中，心肌细胞恢复到不太成熟的状态，然后发生增殖取代受损的组织。但是，它们如何完成这一令人难以置信的壮举仍是个谜。 在一项新的研究中，澳大利亚研究人员在斑马鱼中发现了一种关键的新基因，它能在心脏病发作后开启心肌细胞，允许它们进行分裂和增殖，从而使得斑马鱼中受损心肌的完全再生和愈合。重要的是，该基因在在需要时启动，在心脏完全愈合后关闭。相关研究结果发表在2021年4月9日的Science期刊上，论文标题为“Krüppel-like factor 1 is a core cardiomyogenic trigger in zebrafish”。

心肌klf1是斑马鱼心脏再生所必需的，图片来自Science, 2021, doi:10.1126/science.abe2762。

这个称为Klf1（Krüppel-like factor 1）的关键基因之前仅在红细胞中鉴定到。他们首次发现它在愈合受损的心脏方面起着至关重要的作用。这一发现有可能帮助人类的心脏在心脏病发作后修复受损的心肌。

Klf1基因的作用是使剩余的未受伤的心肌细胞更加不成熟，并改变它们的代谢线路。这使得它们能够分裂并制造新的细胞。在剔除这个基因后，斑马鱼心脏在受伤（比如心脏病发作）后失去了自我修复的能力。这使得将这个基因视为一个至关重要的自我修复工具。 该基因也可能在人类心脏中发挥着类似的作用。这些作者如今希望对它的功能开展进一步研究，以便为激活人类心脏的再生和改善它在身体周围泵血的能力提供线索。

5.Science：英国新冠病毒变种B.1.1.7的传播性可能比原始病毒高43%至90%
doi:10.1126/science.abg3055

在一项新的研究中，来自英国伦敦卫生与热带医学学院等研究机构的研究人员发现，有证据表明英国SARS-CoV-2病毒变种B.1.1.7的传播性可能比原始病毒高43%至90%。相关研究结果近期发表在Science期刊上，论文标题为“Estimated transmissibility and impact of SARS-CoV-2 lineage B.1.1.7 in England”。在这篇论文中，他们利用模型研究了SARS-CoV-2病毒各种变种的传播性。

VOC 202012/01在英格兰的快速传播，图片来自Science, 2021, doi:10.1126/science.abg3055。

早在2020年11月，医学人员就发现了SARS-CoV-2病毒的一种新变种，这种变种随后被称为VOC 202012/01（英国）变种，即3B.1.1.7。接下来的一个月，科学家们开始报告说，他们的证据表明，这种英国变种比原始病毒更容易传播。这些担心似乎是有道理的，因为随后的研究已发现，到2021年2月初，英格兰95%的新感染病例是由这种英国变种引起的。迄今为止，在其他82个国家也发现了这种变种。

为了了解更多关于这种变种的信息，这些研究人员对英国各地的15万个病毒序列进行了采样，在此过程中，他们发现有证据表明，这种英国变种的生长率高于他们发现的所有307种其他变种。接下来，他们将有关这种病毒的数据输入到一种经过修改的数学模型中，以显示了SARS-CoV-2病毒及其变种的传播率。然后，他们使用这种模型来测试关于这种英国变种的某些假设，比如它能够导致更高的病毒载量，以及它在感染者中持续多长时间。这种模型显示，该变种的再生数比原始病毒或其他变种高出43%至90%。

6.Science：新研究鉴定出了偏头痛关键受体的结构和动力学，为更好的疗法铺平了道路！
doi:10.1126/science.abf7258

在一项研究中，来自澳大利亚莫纳什大学、ARC膜蛋白低温电镜中心、日本东京大学和新西兰奥塔哥大学的研究团队鉴定了一种重要的细胞表面（膜）受体的形状和动力学，这种受体叫做降钙素相关基因肽(calcitonin gene-related peptide，CGRP)，长期以来一直被认为与偏头痛有关联。相关研究结果已经发表在近期的Science杂志上，标题为Structure and dynamics of the CGRP receptor in apo and peptide-bound forms。

东京大学的Radostin Danev博士说：“我们确定了与偏头痛有关的一个重要的细胞表面(膜)受体的原子结构。在这项初步研究中，我们确定了受体单独的结构，以及其与天然靶分子结合的结构。这让我们清楚地了解了受体在体内的正常功能是如何工作的。”

未来的研究将扩大对潜在药物靶点的筛查。Danev博士表示，目前已经有几种针对该受体的偏头痛药物，但关于蛋白结构知识对于理解药理学和未来的治疗发展是至关重要的，这将帮助我们理解慢性疾病的病理机制，并有助于开发更有效和更容易获得的治疗方法。

7.Science:靶向核苷酸“抢救”因子DNPH1能够提高癌细胞对PARP抑制剂的敏感性
doi:10.1126/science.abb4542; doi:10.1126/science.abh3188

BRCA1或BRCA2肿瘤抑制基因的突变使个体提高患乳腺癌和卵巢癌的风险。 在临床中，上述癌症患者往往会接受靶向聚（ADP-核糖）聚合酶（PARP）的抑制剂治疗。 根据最近发表在《Science》杂志上的一项研究，来自英国弗朗西斯-克里克研究所的Stephen C. West团队表明：抑制DNPH1（一种消除细胞毒性核苷酸5-羟甲基-脱氧尿苷（hmdU）单磷酸的蛋白质），可增强BRCA缺陷细胞对PARP抑制剂（PARPi）的敏感性。 进一步研究揭示，该药物的杀伤力是基于SMUG1糖基化酶对基因组hmdU的作用而完成的，并导致PARP捕获，复制叉塌陷，DNA断裂形成和细胞凋亡。 通过使用hmdU和DNPH1抑制处理，可以使对PARPi具有抗性的BRCA1缺陷细胞重新变得敏感。 由于基因组hmdU是PARPi敏感性的关键决定因素，因此靶向DNPH1为BRCA缺陷型癌症对PARPi治疗耐受性的问题提供了一种有前途的解决方案。

图1，DNPH1缺失导致HR缺陷型癌细胞对PAPR抑制剂更加敏感。

在该研究中，作者首先利用CRISPR技术对PAPRi敏感性的调节元件进行了筛选。通过基于慢病毒方法，向MUS81-/-细胞（一种同源重组缺陷的细胞系）中导入了CRISPR全基因组文库，然后用olaparib处理10天，该筛选手段帮助鉴定出缺失（致敏）和富集（引起耐药性）的sgRNA（gRNA）。使用MAGeCK（基于模型的全基因组CRISPR-Cas9基因敲除分析）算法对gRNA读数进行生物信息学分析，确定了调节细胞对PARPi敏感程度的几个决定因素。

筛选结果中排名最高的是DNPH1（2'-脱氧核苷5'-单磷酸N-糖苷酶，也称为RCL），它是在多种肿瘤中过表达的c-Myc蛋白的靶标。因此科学家们认为DNPH1可能参与核苷酸的“挽救”途径，并起着防御的作用：从核苷酸库中除去修饰的或异常的核苷酸，以防止其掺入DNA中。第二种核苷酸“拯救”分子——ITPA（肌苷三磷酸酶）的破坏也使MUS81-/-细胞对olaparib敏感：通过使三磷酸脱氧肌苷去磷酸化以限制其掺入DNA中。 DNPH1和ITPA也已在先前的PARPi筛选中鉴定得到，为了验证其功能，作者使用单独的CRISPR敲除细胞系进行了二次检验。结果显示：eHAP细胞中任何一个基因的破坏都不会影响细胞的生长或生存能力，但任一基因的缺陷会使缺乏HR的MUS81-/-细胞对olaparib的治疗敏感。这些结果表明，DNPH1和ITPA的靶核苷酸是PARPi细胞毒性潜在的内源性DNA损伤的来源。

8.Science：确定同侧视觉通路出现的时间
doi:10.1126/science.abe7790

在灵长类动物中，视觉连接是双向的：每只眼睛都向大脑两侧发送神经连接。Vigouroux等人研究了双侧视觉系统的进化基础。仔细观察了代表进化分歧跨度的各种鱼类的视网膜和大脑之间的连接，发现对侧连接（contralateral connections）似乎是普遍的。同侧连接（ipsilateral connections）是在对侧连接的基础上形成双侧视觉系统的，在进化过程中出现得较晚，但出现在向陆生动物过渡之前。

9.Science：探究早期人属的大脑进化
doi:10.1126/science.aaz0032; doi:10.1126/science.abi4661

人类的大脑比巨猿的大脑大，结构上也不同于巨猿的大脑。Ponce de León等人探讨了结构上现代人脑的起源时间。通过比较来自非洲、乔治亚和东南亚的早期人属（early Homo）的脑壳内表面化石的表征---颅内模（endocast），他们发现这些结构上的创新出现的时间要晚于早期人属首次从非洲散布出来的时间，可能在170万至150万年前就已经出现了。现代类人脑组织出现在被认为与工具制造、社会认知和语言有关的大脑区域。他们的研究结果表明，大脑重组并不是从非洲扩散的先决条件，早期人属可能有不止一次的远距离扩散。

10.Science：我国科学家揭示竞争性柱头信号肽是成功授粉的关键所在
doi:10.1126/science.abc6107

当花粉粒落在花朵的雌蕊上时，一场导致有性繁殖的复杂舞蹈就开始了。在一项新的研究中，我国科学家展示了一些早期的步骤，这些步骤有助于区分兼容的花粉粒和随机的灰尘。正常情况下，一个柱头把关者，即ANJEA-FERONIA受体激酶复合物，感知柱头产生的信号肽，驱动柱头乳头状突起产生活性氧。授粉后，POLLEN COAT PROTEIN B类肽（PCP-B肽）与那些柱头产生的信号肽竞争与柱头受体激酶复合物的结合。随后，柱头活性氧的产生下降，使水合作用得以实现，打开了花粉萌发的大门。（生物谷 Bioon.com）