2016年12月Science期刊不得不看的亮點研究

2016年12月31日/生物谷BIOON/--12月份即將結束了，Science期刊又有哪些亮點研究值得學習呢？小編對此進行了整理，與各位分享。

1.Science：重磅！開發出解析度僅為一納米的熒光顯微鏡

doi:10.1126/science.aak9913

光學顯微鏡的最高目標是改善這種方法的解析度以至於一個人能夠單個地區分彼此間挨得非常近的分子。如今，來自德國馬克斯-普朗克生物物理化學研究所的諾貝爾獎得主Stefan Hell和同事們實現了長期以來被認為是不可能實現的目標：他們開發出一種新的被稱作MINFLUX的熒光顯微鏡，從而首次允許利用光學手段區分彼此間相隔幾納米的分子。這種顯微鏡在解析度上要比常規的光學顯微鏡高出100倍，而且甚至超過迄今為止最好的超解析度光學顯微鏡--- Hell開發的STED和諾貝爾獎得主Eric Betzig描述的PALM/STORM ---高達20倍。對MINFLUX而言，Hell以一種全新的概念結合了STED和PALM/STORM的優勢。這一突破為科學家們在分子水平上研究生命如何發揮功能提供新的機會。

Hell解釋道，「我們利用MINFLUX實現1納米的解析度，這是單個分子的直徑---在熒光顯微鏡中可能實現的最終解析度限制。我深信MINFLUX顯微鏡有潛力成為細胞生物學最為基礎的工具之一。基於此，在分子細節上繪製細胞圖譜和實時觀察它們內部快速發生的過程將是可能的。這可能能夠在我們了解活細胞中發生的分子過程方面引發變革。」

2.Science：利用三維結構變化揭示細菌視紫紅質工作機制

doi:10.1126/science.aah3497

在一項新的研究中，利用強大的新工具，來自日本、法國、瑞典、瑞士、韓國和德國的研究人員展示了作為一種質子泵，細菌視紫紅質（bacteriorhodopsin）如何利用光線讓質子跨過細胞膜，從而產生能夠被用來驅動細胞活動的電荷差異。相關研究結果發表在2016年12月23日那期Science期刊上。

細菌視紫紅質是一種吸收光線並且進行質子跨細胞膜運輸的蛋白---生物系統中的一種關鍵功能。但是科學家們長期以來想要知道它是如何做到這點的，而且它如何推動質子進行單方向運輸：從細胞內部運輸到細胞外面。

在當前的這項研究中，研究人員採用了一種被稱作時間分辨串列飛秒晶體學（time-resolved serial femtosecond crystallography）的技術：他們基於一種泵浦-探測方法（pump-probe method），在細菌視紫紅質被光線照射後，在多個時間點上獲得上千張細菌視紫紅質的結構圖片。當將這些圖片結合在一起時，他們能夠揭示出這種細胞膜蛋白如何能夠逆著電荷梯度將質子轉運到細胞外面帶更多正電荷的環境中，從而像電池那樣產生能夠被用來驅動化學反應的電荷差異。

論文第一作者、日本理化學研究所SPring-8中心科學家Eriko Nango說，「在這項研究中，我們能夠揭示質子轉移機制，從而終結關於這個機制的長期爭論。這種光激發導致視黃醛---吸收光線的細菌視紫紅質中的一個關鍵部分---發生構象變化。這接著導致視黃醛上方的氨基酸殘基移向細胞質中，水分子短暫地出現在那個空間中來協助主要的質子轉移。在此之後，一系列微妙的分子級聯事件阻止質子向後移動，因而推動質子轉移到細胞外面。」

3.Science：解析出酵母小亞基加工體的三維結構圖

doi:10.1126/science.aal1880

長鏈非編碼RNA（lncRNA）是一類神秘的長200多個核苷酸但不會編碼任何蛋白的分子。如今，在一項新的研究中，研究人員鑒定出499個lncRNA是功能性的，並且在理解這些分子如何發揮作用方面取得重大進展。他們報道，不同於大多數蛋白編碼基因---它們往往是眾多細胞系所必需的---的是，針對測試的6種細胞系，在鑒定出的lncRNA中，將近90%的lncRNA似乎影響僅僅其中的一種細胞系的強勁生長。

Lim、Weissman和同事們開發出一種CRISPR干擾（CRISPR interference, CRISPRi）平台，這種平台靶向7種不同的細胞系---6種轉化的細胞系和一種人誘導性多能幹細胞---中的16,401個lncRNA位點。通過利用他們的這種經過修飾的CRISPR技術抑制每個候選lncRNA的表達從而對上千個位點進行篩選之後，他們鑒定出499個lncRNA位點是強勁的細胞生長所需要的，其中89%的位點似乎僅在一種細胞類型中發揮功能。

Rinn說，「這項研究是首次在特定的細胞系中對lncRNA進行全基因組篩選。依據這項研究，我們如今能夠作出結論：大多數lncRNA在細胞活力中發揮著重要作用，正如猜測中的那樣。但是如今，可以這麼說，一切還得實踐證明。」

6.Science：科學家成功實現從土壤中尋求治療耐藥性細菌感染的良方

doi:10.1126/science.aag3180

許多感染性病原體引發的疾病都很難治療，因為這些病原菌會產生生物被膜，即代謝活性但生長較慢的細菌會嵌入到黏液保護層中，這些細菌就會對抗生素的治療產生耐藥性；近日一項刊登在國際著名雜誌Science上的研究報告中，來自加州理工學院和牛津大學的研究人員就在抵禦細菌生物被膜上取得重大進展，研究小組發現了一種特殊的蛋白質，該蛋白能夠幫助降解並且抑制致病菌銅綠假單胞菌，該菌是引發囊性纖維化感染的主要病原體。

研究者Newman說道，銅綠假單胞菌會引發非常難以治療的慢性感染，比如位於燒傷創面、糖尿病性潰瘍部位以及囊性纖維化患者肺部的細菌等，該菌引發的感染難以治療的部分原因就是細菌能夠形成生物被膜組織，而相比細菌生長的方式而言，其所產生的特殊生物被膜組織會對常規的抗生素產生耐受性，文章中研究者就提出了一種新型手段來抑制銅綠假單胞菌所產生的生物被膜。

研究人員將目光鎖定到了綠膿菌素上，這是一類由銅綠假單胞菌產生的小分子，其能夠產生一種藍綠色的色素，綠膿菌素在臨床細菌的鑒別上已經使用了一個多世紀了，但很多年前研究者Newman的團隊就發現，綠膿菌素能夠促進生物被膜的生長，因此研究者就提出假設，是否綠膿菌素的降解就會抑制細菌生物被摸的產生。為了鑒別出選擇性靶向作用綠膿菌素的因子，研究人員Kyle Costa就對曾經在加州理工學院貝克曼研究院( Beckman Institute )收集的土壤進行研究，他們從土壤中分離出了一種名為偶發分枝桿菌（Mycobacterium fortuitum）的細菌，該細菌能夠產生一種名為綠膿菌素脫甲基酶（PodA）的小型蛋白分子；當將PodA酶加入到銅綠假單胞菌培養基中時，研究者發現細菌生物被膜的產生就會被抑制。

7.Science：開發出分泌胰島素的人工β細胞

doi:10.1126/science.aaf4006

在一項新的研究中，來自瑞士蘇黎世聯邦理工學院和中國華東師範大學等機構的研究人員利用一種簡單明了的工程學方法製造出人工β細胞。這些人工β細胞能夠做天然的β細胞做的任何事 情：它們測量血液中的葡萄糖濃度，產生足夠的胰島素來有效地降低血糖水平。

對研究人員的新方法而言，他們使用一種基於人腎細胞的細胞系，即HEK細胞。他們使用了HEK細胞膜中天然的葡萄糖轉運蛋白和鉀離子通道。他們利用一種電壓依賴性鈣離子通道、一種產生 胰島素或GLP-1的基因提高它們的功能，其中GLP-1是一種參與血糖水平調節的激素。

在這些人工β細胞中，HEK細胞的天然葡萄糖轉運蛋白攜帶來自血液中的葡萄糖到細胞內部。當血糖水平超過某個閾值時，鉀離子通道關閉。這會顛倒細胞膜上的電壓分布，導致鈣離子通道打 開。隨著鈣離子流進，它觸發HEK細胞內在的信號轉導級聯事件，導致胰島素或GLP-1的產生和分泌。

在糖尿病模式小鼠體內對這些人工β細胞的初步測試揭示出這些細胞是非常有效的：論文共同通信作者、蘇黎世聯邦理工學院生物系統科學與工程系Martin Fussenegger教授說，「它們要比 迄今為止世界上任何地方獲得的任何方法更長時間地更好地發揮功能。」當植入到糖尿病模式小鼠體內時，這些經過修飾的HEK細胞在三周內可靠地發揮作用，產生足夠數量的調節血糖水平的 胰島素或GLP-1。

8.Science：鑒定出胚胎髮育期間控制皮膚細胞長出毛囊或汗腺機制

doi:10.1126/science.aah6102; doi:10.1126/science.aal4572

在一項新的研究中，來自美國洛克菲勒大學的研究人員鑒定出在胚胎髮育期間參與控制皮膚細胞長成汗腺還是毛囊的分子信號和時間選擇。他們描述了他們如何利用小鼠的獨特性質更多地了解皮膚細胞發育的過程。相關研究結果發表在2016年12月23日那期Science期刊上，論文標題為「Spatiotemporal antagonism in mesenchymal-epithelial signaling in sweat versus hair fate decision」。來自中國醫科大學的Yung Chih Lai和Cheng-Ming Chuong針對這項研究發表一篇觀點類型的文章。

小鼠是獨特的，這是因為它們背部上的皮膚細胞僅允許毛囊產生，而它們腳部上的皮膚細胞僅允許汗腺產生。這允許研究人員有機會通過對這兩者進行比較更多地了解這種發育。他們發現在小鼠體內導致皮膚髮育的幹細胞在參與控制哪種細胞結構類型產生的蛋白表達上存在差異：比如，一類被稱作間充質源性骨形態發生蛋白（BMP）的蛋白在腳部上發現的細胞中更加豐富，特別是Bmp5發揮著一種特別重要的作用。當Bmp5被阻斷時，在小鼠腳部產生的汗腺數量顯著降低。他們也發現WNT和FGF蛋白等其他參與的分子信號，當在小鼠體內進切換時，會導致皮膚細胞發育的最終結果發生交換，也就是產生毛囊而不是汗腺。

研究人員將這些結果與人皮膚細胞樣品進行比較，結果發現BMP和FGF蛋白在胚胎髮育17周期間要比第15周期間更高水平地表達，而之前的研究已證實這是皮膚細胞由長出毛髮過渡到汗芽（sweat-bud）形成的時期。

9.Science：磁刺激可以找回遺忘的記憶

doi:10.1126/science.aah7011

在12月2日的Science上，來自美國威斯康辛大學的研究小組的結果表明記憶可以復活。與最近的研究工作一致，這項研究表明即使在傳統的短期記憶已經消失時，信息可以在某種程度上在連接的神經元之間的突觸中被保持。這是一個根本性的發現，就像記憶中的暗物質。雖然很難看到它或者以明確的方式來測量，但它就在那裡。

威斯康星大學的認知神經學家Nathan Rose和同事讓受試者觀看一系列幻燈片顯示的面孔，言語，或向一個方向移動的點。他們使用功能性磁共振成像(fMRI)，並在機器學習演算法的幫助下跟蹤神經活動，結果顯示他們可以將大腦活動與每個相關的項目進行分類。然後以詞語和面孔組合的方式查看項目，但線索仍集中在一項上。首先，在這一輪腦電圖（EEG）測量中大腦顯示對這兩項的信號。對於沒有線索的項目神經活動迅速下降到基線，好像已經忘記了，而有線索的項目腦電圖信號依然存在，表明它仍然是在工作記憶中。然而，受試者在被提示幾秒鐘後，仍然可以迅速想起來沒有線索的項目。

Rose和他的同事們後來用經顱磁刺激（TMS，一種利用快速變化的磁場提供的脈衝電流到大腦的非侵入性的方法）進行試驗。他們讓受試者執行相同線索的記憶任務，然後在無線索的記憶項的信號剛剛消退後，應用廣泛的TMS脈衝刺激大腦。「遺忘」的項目出現了適當的神經活動，顯示記憶從潛伏狀態被激活。更重要的是，當TMS直接靶向腦區無線索項目最初活躍的區域，活化反應更強。

10.Science：中國北京大學發現開發活病毒疫苗或是可行的

doi:10.1126/science.aah5869

在一項新的研究中，來自中國北京大學的研究人員開發出一種新型疫苗。他們聲稱這可能提供一種新方法來產生活病毒疫苗，而且在他們的想像下，這種疫苗可能適合於任何一種病毒類型。他們概述了他們對一種流感病毒進行修飾而導致它在沒有感染風險的情形下引發免疫反應的方法。

當前，大多數疫苗含有已被殺死的或已被削弱到當注射到健康人體內不可能導致感染的程度的病毒。如果類似的病毒在體外被發現，並且在它們有發生增殖和導致感染的機會之前，這些疫苗通過導致免疫系統靶向這些類似的病毒發揮作用。不幸的是，在某些情形下，具有較弱免疫系統的人發現自己在接種疫苗後遭受感染。在這項新的研究中，研究人員採取一種新方法構建疫苗---對一種流感病毒進行修飾，並且以一種不允許導致任何病人遭受感染的方式進行修飾。

研究人員了解到病毒利用某些氨基酸作為這種感染過程的一部分---他們隨後通過利用他們已在實驗室中製造的一種人工氨基酸替換參與感染過程的一種氨基酸來對一種流感病毒進行修飾，其中這種人工氨基酸在正常情形下不會出現在病毒或人體中。在缺乏正確的氨基酸情形下，這種病毒仍然能夠發揮功能，但是它不能夠導致感染，而且鑒於它仍然是一種流感病毒，它在體內的存在導致免疫系統攻擊它們和遇到的任何其他類型的流感病毒，因而阻止感染髮生。本質上，它與傳統的疫苗一樣地發揮作用，同時不會讓病人產生因接受疫苗接種而遭受感染的風險。

研究人員報道他們構建的試驗疫苗經發現可導致小鼠產生抗體反應，而且這種效果與利用常規疫苗導致的效果相當。當在較晚的時候給這些受試小鼠第二次接種這種試驗疫苗時，研究人員發現它們的抗體水平增加6到8倍。再者，他們發現這種病毒有效地阻止小鼠、雪貂和豚鼠遭受流感病毒感染。

11.兩篇Science揭示家族性高膽固醇血症發病率及其基因變異

doi:10.1126/science.aaf7000; doi:10.1126/science.aaf6814; doi:10.1126/science.aal4573

由美國格伊辛格衛生系統（Geisinger Health System, GHS）和Regeneron遺傳學中心（Regeneron Genetics Center, RGC）合作開展的一項研究發現一種威脅生命的被稱作家族性高膽固醇血症（Familial Hypercholesterolemia, FH）的遺傳病未被充分診斷和治療。相關研究結果發表在2016年12月23日那期Science期刊上，論文標題為「Genetic identification of familial hypercholesterolemia within a single U.S. health care system」。GHS和RGC合作完成的另一項發表在同期Science期刊上的研究描述了DiscovEHR組群（DiscovEHR cohort）中首批50,726名成年人參與者的外顯子組測序和分析結果，其中這些人都是格伊辛格MyCode社區健康計劃（Geisinger MyCode Community Health Initiative）的成員。

在針對FH的研究中，研究人員研究了DiscovEHR組群中導致FH的基因變異體，然後將這些研究結果與包含在格伊辛格電子健康記錄中去除身份信息的這些病人的病史進行比較。傳統上，在美國，FH是在具有高膽固醇的而且也具有早期心臟病和中風家族史的病人體內得到確診的。對FH的遺傳測試當前在臨床實踐中並不是常見的。

格伊辛格衛生系統臨床基因組學主任Michael F. Murray博士說，「這項研究表明FH發病率要大約是曾經認為的2倍，而且對FH的大規模遺傳測試有助鑒定出在其他情形下會被漏檢的病例。如今，我們希望利用DNA測序對病人進行更好地管理。」

在第二項研究的眾多發現之一是每256人當中有1人擁有來自三種FH基因中的一種基因的致病性突變。它表明攜帶一種有害的FH基因變異的參與者要比沒有一種FH基因變異的那些人具有顯著更高的「壞」膽固醇。他們也具有顯著增加的一般冠狀動脈疾病和早發冠狀動脈疾病發生幾率。

第二項研究鑒定出已被確定導致FH的基因LDLR、APOB和PCSK9中的35種突變。僅有24%的攜帶導致FH的基因變異的人在他們的電子健康記錄中有充分條件來支持可能的或確定的FH確診，這意味著若沒有基因確診，這些病人中的很多人將未被確診和可能未被治療。確實，42%的攜帶這些導致FH的基因變異的人最近並沒有服用他汀類藥物，即降低膽固醇的一線藥物。在接受他汀類藥物治療的攜帶導致FH的基因變異的人當中，不到一半的人實現降低膽固醇的目標。 （生物谷 Bioon.com）

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