2018年2月Science期刊不得不看的亮點研究

來源 | 生物谷

2月份即將結束了，2月份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：揭秘雄心勃勃的全球病毒組計劃

doi:10.1126/science.aap7463

一項新的全球計劃試圖在爆發病毒性流行病之前主動鑒定出病毒威脅、為這些威脅作好準備和阻止這些威脅，而不是等到埃博拉病毒（導致埃博拉疫情）、SARS病毒（導致非典型肺炎疫情） 和寨卡病毒（導致寨卡疫情）等病毒爆發流行病後，世界被迫針對此作出反應。相關研究結果發表在2018年2月23日的Science期刊上，論文標題為「The Global Virome Project」。 全球病毒組計劃（The Global Virome Project）是一項國際合作計劃，旨在鑒定出地球上大部分未知病毒，並且阻止它們的傳播。論文作者們說，這種方法可能標誌著「大流行病時代」的結 束。

圖片來自Kathy West/UC Davis One Health Institute。

全球病毒組計劃的想法始於2016年，當時來自亞洲、非洲、美洲和歐洲的橫跨產業界、學術界、政府間機構、非政府組織和私營部門的利益相關者開始為這一計劃設計框架。預計中國和泰國 的野外調查將於今年開始。

2.Science：揭示細胞凋亡期間，mtDNA逃離線粒體機制

doi:10.1126/science.aao6047

在一項新的研究中，由澳大利亞莫納什大學生物醫學發現研究所的Benjamin Kile教授領導的一個國際研究團隊發現並拍攝了在細胞死亡期間線粒體DNA（mtDNA）逃離線粒體（細胞內產生能量 的細胞器）的確切時刻。相關研究結果發表在2018年2月23日的Science期刊上，論文標題為「BAK/BAX macropores facilitate mitochondrial herniation and mtDNA efflux during apoptosis」。

雖然mtDNA從線粒體中釋放出來被認為是造成狼瘡等自身免疫疾病的原因，但它逃離線粒體的方式從未被人解釋過。莫納什大學生物醫學發現研究所研究員Kate McArthur博士在美國珍妮莉婭 研究學院（Janelia Research Campus）里利用一種革命性的新型顯微鏡捕捉線粒體形成「突出物（hernia）」的時刻，這種突出物將mtDNA排出到細胞的其餘部分。

這種由諾貝爾獎獲得者Eric Betzig開發出的活細胞晶格光片顯微鏡（live-cell lattice light-sheet microscopy, LLSM）系統是一種新技術，它允許科學家們以一種突破性的解析度觀察活 細胞。McArthur博士在2015～2017年之間多次前往美國珍妮莉婭研究學院，並記得她首次觀察到線粒體積極地驅逐它的mtDNA的時刻。

當細胞開始凋亡時，兩種蛋白BAK和BAX會被激活。這些研究人員實時觀察到這些專業的殺手蛋白在線粒體外膜上打開巨大的「大孔（macropore）」，從而導致線粒體的內含物向外突出，同時 將mtDNA一起帶走。

3.Science：重磅！首次實時觀察到凝縮蛋白擠壓DNA形成環狀結構

doi:10.1126/science.aar7831

引人注目的是，活的細胞當準備分裂時，能夠將一堆雜亂的長達兩米的DNA包裝成整齊的微小染色體。然而，科學家們幾十年來一直對這個過程是如何發生的感到困惑。如今，在一項新的研究中，來自荷蘭代爾夫特理工大學卡夫利研究所和位於德國海德堡的歐洲分子生物學實驗室（EMBL）的研究人員分離出這個過程，拍攝它的影像，並且實時觀察一種被稱作凝縮蛋白（condensin）的蛋白複合物如何纏繞DNA從而擠壓出環狀結構（loop）。通過在DNA長鏈中擠壓出許多這樣的環狀結構，細胞高效地壓縮它的基因組，因此細胞中的基因組能夠均勻分布到它的兩個子細胞中。相關研究結果於2018年2月22日在線發表在Science期刊上，論文標題為「Real-time imaging of DNA loop extrusion by condensin」。

這一發現解決了這個領域中的一項激烈的辯論，這是因為它最終解答了生物學中討論了一個多世紀的問題：在產生兩個子細胞之前，細胞中的DNA就好比是義大利麵條---DNA鏈混雜地摻合在一起。細胞需要組裝染色體中的這些混雜物，從而能夠將它的DNA整齊地分配到兩個子細胞中。多年來，人們已明確作為一種蛋白複合物，凝縮蛋白起著關鍵的作用，但是在此之前，生物學家們對凝縮蛋白是如何發揮作用的存在著分歧。有一種理論認為，凝縮蛋白的作用就像一個鉤子，能夠抓住這種DNA混雜物中的DNA並將它連接在一起。另一種理論認為環形的凝縮蛋白將DNA向內拉，從而讓它形成環狀結構。

代爾夫特大學卡夫利研究所的Cees Dekker團隊與位於德國海德堡的歐洲分子生物學實驗室的Christian Haering團隊一起拍攝出這種凝縮蛋白複合物發揮作用---它擠壓出DNA環狀結構---時的影像。Haering團隊開發出這種蛋白複合物的純化方法和熒游標記方法。

4.Science：發現一組特定的神經細胞控制著癲癇發作在大腦中的擴散

doi:10.1126/science.aan4074; doi:10.1126/science.aas8993

顳葉癲癇（temporal lobe epilepsy）是成年人中最為常見的癲癇形式。在一項新的研究中，來自美國斯坦福大學醫學院的研究人員發現通過實驗手段激活大腦中的一小組神經細胞就可阻止顳葉癲癇小鼠模型中的驚厥性癲癇發作。相比之下，讓這些被神經科學家稱為原漿性星形細胞（mossy cell）的神經細胞失活有助於在癲癇發作時的局部電過度活躍在整個大腦中擴散，從而導致顳葉癲癇的全部行為癥狀。相關研究結果發表在2018年2月16日的Science期刊上，論文標題為「Dentate gyrus mossy cells control spontaneous convulsive seizures and spatial memory」。

圖片來自Ivan Soltesz博士/Stanford University。

原漿性星形細胞僅在海馬體的一個區域中發現，它們的數量很少，但每個細胞都與數以萬計的其他的海馬體神經細胞連接在一起。通過這些連接，原漿性星形細胞能夠刺激大量的興奮性海馬體神經細胞（excitatory hippocampal nerve cell），後者的輸出延伸到海馬體的其他區域。但是它們也能夠刺激一類抑制這些興奮性海馬神經細胞的細胞。迄今為止，原漿性星形細胞活性的凈效應是促進還是抑制這些興奮性神經細胞的整體輸出是一個懸而未決的問題。

為了解答這個問題，Soltesz和他的同事們研究了顳葉癲癇小鼠模型。這些研究人員使用的這些小鼠是經過生物工程改造的，從而讓它們的原漿性星形細胞對光脈衝作出反應，其中這些光脈衝是通過植入的光纖傳送給這些細胞的。藍光讓原漿性星形細胞放電，而琥珀色燈光阻止它們放電。因此，通過切換一種激光開關，他們就能夠隨意地激活或抑制小鼠體內的原漿性星形細胞。（這種應用日益廣泛的被稱作光遺傳學的實驗技術因它能夠靶向一組特定的神經細胞來揭示它們的功能而引人關注）。他們還記錄了原漿性星形細胞所在的海馬體區域中的活動。

Soltesz、Bui和他們的同事們發現抑制原漿性星形細胞雖然不會增加這些慢性癲癇小鼠病灶中的自發性電過度活躍發作頻率，但確實會顯著增加從病灶擴散到大腦中的更大區域的癲癇發作次數。相反，刺激這些小鼠中的原漿性星形細胞會降低泛化的從外面看得見的癲癇發作次數，但對純粹的局灶性癲癇發作（focal seizure）頻率沒有影響或僅有輕微的影響。

在一項測量小鼠識別不熟悉物體的記憶測試中，儘管這些癲癇小鼠失去了一半以上的原漿性星形細胞，但它們確實表現很好。不過它們未能通過另一項評估當一個熟悉的物體被移動時它們的注意能力---一種空間記憶的衡量標準---測試：在慢性顳葉癲癇症中，這種記憶能力下降了。當這些研究人員也利用經過光遺傳學改造（除此之外，其他方面都正常）的小鼠進行這些測試時，它們表現很好，但是當抑制它們的原漿性星形細胞時，它們的空間記憶也下降了。

5.Science：利用CRISPR構建出細胞事件記錄器---CAMERA

doi:10.1126/science.aap8992; doi:10.1126/science.359.6377.728

在一項新的研究中，來自美國布羅德研究所的Weixin Tang和David R. Liu開發出一種利用CRISPR構建細胞事件記錄系統的技術。在他們於2018年2月15日在線發表在Science期刊上的標題為「Rewritable multi-event analog recording in bacterial and mammalian cells」的論文中，他們描述了這種技術和利用它開發出的兩種記錄系統。Jon Cohen針對這項研究在2018年2月16日的Science期刊上進行了討論。

這兩名研究人員報道他們開發出一種被稱作CAMERA（CRISPR-mediated analog multi-event recording apparatus, CRISPR介導的模擬多事件記錄裝置）的技術，他們利用這種技術構建出兩種類型的細胞記錄系統。

在第一種被稱為「CAMERA 1」的細胞記錄系統中，這兩名研究人員將兩種彼此之間略有不同的質粒注射到細菌細胞中，隨後在接觸到所需的刺激物期間，利用CRISPR-Cas9對這兩種質粒中的一種進行切割，從而誘導細胞產生另一種質粒來取代它。這樣做就會在事件發生時記錄它們。這種技術允許這兩名研究人員記錄細胞如何對營養物或抗生素等刺激物作出反應。

在第二種被稱為「CAMERA 2」的細胞記錄系統中，當所需的信號在細胞中發生時，這兩名研究人員利用鹼基編輯器（base editor）改變遺傳密碼中的單個鹼基。利用這種技術，他們記錄當接觸病毒、營養物和抗生素等刺激物時，細胞如何作出反應。他們報道這種技術成功地用於細菌細胞和人細胞中。

6.Science：重大突破！開發出基於CRISPR的一次性多重核酸檢測平台

doi:10.1126/science.aaq0179

在一項新的研究中，之前首次開發出一種快速而又廉價的高度靈敏的基於CRISPR的診斷工具---被稱作SHERLOCK（Specific High Sensitivity Enzymatic Reporter UnLOCKing）---的研究人員極大地增強了這種工具的功能，並且開發出一種微型試紙條測試方法，這種測試方法允許用肉眼觀察到測試結果，而無需使用昂貴的設備。相關研究結果於2018年2月15日在線發表在Science期刊上，論文標題為「Multiplexed and portable nucleic acid detection platform with Cas13, Cas12a, and Csm6」。

SHERLOCK取得成功的關鍵在於一種被稱作Cas13的CRISPR相關蛋白，這種蛋白經編程後結合到一段特定的RNA片段上。Cas13的靶標能夠是任何基因序列，包括病毒基因組、在細菌中賦予抗生素耐藥性的基因或者導致癌症的突變。在某些情況下，一旦Cas13定位到並切割它指定的靶標，這種酶就會超速運轉，從而不加區別地切割附近的其他RNA。為了開發出SHERLOCK，這些研究人員將這種「脫靶」活性轉化為它的優勢，從而設計出這種與DNA和RNA相兼容的系統。

SHERLOCK的診斷潛力依賴於額外的在遭受切割後產生信號的合成RNA鏈。在Cas13結合到它的初始靶標後，它會切割這種合成RNA，釋放出信號分子，從而產生指示它的靶標存在或不存在的測量值。

SHERLOCK平台如今能夠適用於測試多種靶標。SHERLOCK最初一次只能檢測到一種核酸序列，但是如今一次分析能夠同時為多達4種不同的靶標提供熒光信號---這意味著需要更少的樣品用於診斷中。比如，這種新的SHERLOCK版本能夠在單一反應中確定一種樣品是否含有寨卡病毒或登革熱病毒顆粒，這些病毒顆粒會導致患者出現類似的癥狀。這種平台利用來自不同細菌種類的Cas13和Cas12a（以前稱為Cpf1）酶產生這些額外的信號。

7.Science：重大進展！開發出基於CRISPR-Cas12a的技術檢測病毒DNA

doi:10.1126/science.aar6245

一種強大的基因組編輯工具能夠作為一種王牌DNA偵探進行部署，能夠嗅出指示病毒感染、癌症或者甚至缺陷性基因存在的DNA片段。

Doudna說，這種被稱作DETECTR（DNA Endonuclease Targeted CRISPR Trans Reporter）的DNA偵探工具「能夠實現靈敏而又準確的DNA檢測」，並且能夠在人類樣品中發現兩種致癌性的人類乳頭狀瘤病毒（HPV）。2017年11月，她和她的同事們首先在bioRxiv.org上發布了這項研究的預印本（doi:10.1101/226993）；相關研究也於2018年2月15日在線發表在Science期刊上，論文標題為「CRISPR-Cas12a target binding unleashes indiscriminate single-stranded DNase activity」。

這些研究人員觀察到在某些情況下，Cas12a會變成一種DNA切碎機，將附近的任何單鏈DNA進行切割。但這不是濫殺濫傷。為了開始砍刀行動，Cas12a首先必須找到一個精確的DNA靶標。人們能夠通過添加一個告訴Cas12a尋找什麼的嚮導RNA分子來對這個靶標進行編程。Harrington說，「通過重新編程來發現你想要檢測的任何DNA片段是非常簡單的。」

一旦Cas12a鎖定它的靶標並進行切割，它就會開始撕碎它能夠發現的所有單鏈DNA。但是為了讓這種系統變得有用，Doudna和她的同事們需要一種方法來觀察Cas12a何時開始這種分子殘殺，從而指示它已找到它的靶標。因此，這些研究人員使用了一種發光分子（一種易於發現的熒光分子），並且這種發光分子通過一種單鏈DNA與一種阻止這種發光分子發光的抑制分子連接在一起。當Cas12a開始砍刀行動時，它切割將這種發光分子和這種抑制分子連接在一起的單鏈DNA。這就移除了這種抑制分子，讓這種發光分子發光---一種研究人員能夠檢測到的信號。

Doudna團隊隨後利用他們的DNA偵探進行測試。通過與加州大學舊金山分校的Joel Palefsky博士及其團隊合作，他們尋找來自兩種致癌性HPV---HPV16和HPV18---的DNA信號。這些研究人員獲得了25份來自未感染上HPV、感染這兩種致癌性HPV中的一種和同時感染上這兩種致癌性HPV的人的DNA樣品。對HPV16而言，DETECTR對這所有的25份樣本都作出了正確的判斷。對HPV18而言，DETECTR正確地判斷了這25份樣品中的23份。Doudna說，它錯過的樣品信號比較弱，可能能夠通過設計不同的嚮導RNA加以改進。

8.Science：挑戰常規！利用基於CRISPR/Cas9的DNA標記技術觀察動態的DNA舞蹈

doi:10.1126/science.aao3136

DNA在轉錄期間發生抽動，讓相距較遠的基因組區域接觸，從而增強基因表達。在一項新的研究中，來自美國斯坦福大學的研究人員開發出一種新的方法來標記單個非重複性的DNA序列。相關研究結果於2018年1月25日在線發表在Science期刊上，論文標題為「Transcription-coupled changes in nuclear mobility of mammalian cis-regulatory elements」。

圖片來自Thomas Splettstoesser (Wikipedia, CC BY-SA 4.0)。

這種新的DNA標記技術能夠利用熒光分子精確地標記任何單個DNA片段，並追蹤它們的三維位置和運動，從而允許揭示出這種DNA舞蹈。這些研究人員將這種技術稱為嵌合gRNA寡核苷酸陣列（chimeric array of gRNA oligo, CARGO）。它是CRISPR/Cas9基因編輯工具的一種變體，有望引發基因組動力學研究變革。

Guys、作為論文第一作者的研究生Bo Gu和另一名論文共同作者Tomasz Swigut博士設計了一種方法：將由許多不同的gRNA組成的陣列導入細胞中，從而精確地識別獨特的非重複性DNA片段並利用多種熒光分子對它們進行標記，這樣就能夠在顯微鏡下很容易地可視化觀察到它們。

9.Science：首次在成年大腦中觀察到幹細胞分裂

doi:10.1126/science.aao5056; doi:10.1126/science.aar7732

在一項新的研究中，來自瑞士蘇黎世大學的研究人員首次在完整的成年大腦中成功地跟蹤了單個幹細胞及其神經元後代數個月的時間。這對一生當中新的神經元是如何產生的提出新的見解。相關研究結果發表在2018年2月9日的Science期刊上，論文標題為「Live imaging of neurogenesis in the adult mouse hippocampus」。

蘇黎世大學大腦研究所教授Sebastian Jessberger及其團隊首次展示了神經幹細胞分化和新生的神經元在成年小鼠的海馬體中整合的過程。這些研究人員對神經幹細胞進行體內雙光子成像和遺傳標記，以便觀察幹細胞分裂，並且追蹤新的神經細胞成熟長達兩個月的時間。通過在一段時間內觀察這些細胞發揮作用，他們展示了大多數幹細胞在成熟為神經元之前僅分裂幾輪。這些結果就解釋了為何隨著年齡的增加，新生細胞的數量急劇下降。

10.Science：重大發現！多種精神障礙存在著基因重疊

doi:10.1126/science.aad6469

大多數醫學疾病具有明確的在組織、器官和體液中觀察到的物理特徵。相反之下，精神障礙（psychiatric disorder）並不是由這種病理特徵所定義的，而是由行為所決定的。

在一項新的研究中，來自美國加州大學洛杉磯分校和中國中南大學等研究機構的研究人員發現自閉症、精神分裂症和躁鬱症在分子水平上具有一些相同的物理特徵，特別是大腦中的基因表達的模式。他們還查明這些精神障礙中的基因表達存在著重要的差異。相關研究結果發表在2018年2月9日的Science期刊上，論文標題為「Shared molecular neuropathology across major psychiatric disorders parallels polygenic overlap」。

這些研究人員分析了來自患有自閉症、精神分裂症、躁鬱症、重度抑鬱症或酒精濫用障礙的已故受試者的大腦的700個組織樣品中的RNA，並將它們與來自沒有精神障礙的大腦的樣品進行比較。

分子病理學分析結果表明不同的精神障礙（如自閉症和精神分裂症）之間存在顯著的基因重疊，但它們也表現出特異性，比如重度抑鬱症表現出在其他的精神障礙中沒有觀察到的分子變化。

11.Science：重大突破！揭示piRNA建立安全系統保護基因組機制

doi:10.1126/science.aao2840

數以千計的具有不同核苷酸序列的短RNA分子起著安全衛士的作用，能夠識別和沉默侵入基因組的企圖，比如病毒或被稱為轉座子的寄生元件插入到宿主基因組中的DNA。

這些不同的小RNA分子，被稱為與Piwi蛋白相互作用的RNA（Piwi-interacting RNA, piRNA），是由各種動物（如從昆蟲、線蟲到小鼠和人類等哺乳動物）產生的。在一項新的研究中，來自芝加哥大學的研究人員描述了piRNA如何發現外源基因序列並讓它們沉默。他們還展示了內源性的或著說「自我」的基因如何避免接受這種額外的檢測。相關研究結果發表在2018年2月2日的Science期刊上，論文標題為「The piRNA targeting rules and the resistance to piRNA silencing in endogenous genes」。

圖片來自Jordan Brown, UChicago。

當蛋白Piwi識別到它們的靶RNA時，它們招募一系列更小的與靶位點上的序列相對應的次級RNA，這是一種對靶位點進行標記來吸引注意力的方法。知道了這一點，Lee和他的團隊利用在秀麗隱桿線蟲中不存在的序列構建出合成piRNA，並追蹤它在何處產生它的標記物。隨後，通過研究這種合成piRNA標記的不同序列，他們就能夠找出它發現匹配靶標的機制。

結果證明piRNA與靶序列的一部分非常密切地匹配，但是它們能夠容忍這種靶序列的其餘部分存在幾個不匹配的地方。在這種線蟲中似乎還有很多不配對的Piwi，因此這給它們提供了一個具有很多許多可能的序列組合的工具箱來識別外源的RNA並將其關閉。

這些研究人員還發現許多內源性基因有額外的將它們標記為「自我的」而非外源的A和T核苷酸重複片段。這一許可信號可作為識別基因的證書和顯示它的所屬piRNA系統的護照。Lee說，「我們證實內源性基因能夠利用一種許可系統抵抗piRNA系統，這真的很酷。它們所要做的就是利用『自我』信號標記它們自己。」

12.Science：揭示細菌在促進結腸癌產生中起著關鍵作用

doi:10.1126/science.aah3648

在美國，結腸癌每年造成超過5萬人死亡，而且越來越多的年齡在20至50歲的年輕人患上這種疾病。在一項新的研究中，來自美國約翰霍普金斯大學布隆伯格-基梅爾癌症免疫治療研究所的一個研究團隊發現兩種細菌物種存在於遺傳性結腸癌患者的結腸中，這兩種細菌物種合作促進這種疾病產生，而且也在散發性結腸癌患者的結腸中發現了這兩種相同的細菌物種，相關研究結果發表在2018年2月2日的Science期刊上，論文標題為「Patients with familial adenomatous polyposis harbor colonic biofilms containing tumorigenic bacteria」。

大約5％的結腸癌是由一種被稱作家族性腺瘤性息肉病（familial adenomatous polyposis,FAP）的遺傳綜合徵引起的，在這種遺傳綜合征中，一種遺傳性突變引發一系列隨著隨時間的推移而產生的遺傳變化，最終促使這些結腸上皮細胞變成惡性腫瘤細胞。不過，Cynthia Sears博士說，目前尚不清楚產腸毒素脆弱擬桿菌（enterotoxigenicBacteroidesfragilis, ETBF）或其他的細菌是否在FAP患者進展為結腸癌中發揮作用。

為了研究由這些細菌引起的生物膜與癌症形成之間的關係，她和她的同事們研究了從6名FAP患者中移除的結腸組織。測試結果表明在大約70％的患者中，斑片狀的生物膜沿著結腸的長度進行分布。這些研究人員利用基因探針鑒定特定的細菌種類，並發現這些生物膜主要由兩種類型的細菌---脆弱擬桿菌和大腸桿菌---組成：鑒於結腸含有至少500種不同類型的細菌，這是一個令人驚訝的發現。來自FAP患者的另外25個結腸樣品的測試結果表明這種脆弱擬桿菌菌株是一種被稱作ETBF的亞型，它產生的一種毒素激活結腸上皮細胞中的某些致瘤或促癌通路並導致結腸炎症。這種大腸桿菌菌株產生一種被稱作colibactin毒素的物質（由細菌基因組中的一組被稱作PKS島的基因合成），從而導致DNA突變。Sears說：「這些影響結合在一起，需要這兩種細菌共同存在，從而才能促進行結腸癌產生。人們發現這兩種類型的細菌通常在世界範圍內的嬰幼兒體內定植，這可能會導致年輕人的結腸癌發病率上升。」

通過使用結腸癌小鼠模型，這些研究人員發現僅這兩種細菌物種中的一種在結腸中定植的小鼠很少產生腫瘤或者根本就不產生。然而，當這兩種細菌物種同時定植在它們的結腸中時，它們產生很多腫瘤，這表明這兩種細菌之間存在協同作用。

Sears實驗室在2009年早些時候在Nature Medicine上發表的一項研究已提示著一種獨特的免疫反應---由一種被稱作IL-17的炎性蛋白引發---是ETBF誘導的腫瘤形成的關鍵。Pardoll和Sears說，重要的是要注意這種類型的免疫反應與治療性免疫治療藥物誘導的抗腫瘤免疫反應是不相同的並且實際上是對立的。

為了證實IL-17在這兩種細菌的促癌作用中的重要性，他們使用了IL-17基因被剔除的小鼠模型，這樣這些小鼠就不能表達IL-17蛋白。他們隨後讓ETBF和PKS陽性大腸桿菌定植在這些小鼠的結腸中。不同於容易表達IL-17的小鼠的是，這些經基因修飾的小鼠不會形成結腸瘤，這就證實這種蛋白在細菌驅動的結腸癌中發揮著重要的作用。然而，除了IL-17之外，這些研究證實ETBF消化結腸粘液層，從而使得PKS陽性大腸桿菌能夠大量地粘附到結腸粘膜上，在那裡這兩種細菌一起誘導增加的DNA損傷，這是導致結腸腫瘤形成的基因突變出現之前的一個重要的步驟。

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