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2019年3月Science期刊不得不看的亮点研究
  • 发布日期:2019-04-01      浏览次数:477
    • 2019年3月31日讯/生物谷BIOON/---2019年3月份结束了,3月份Science期刊又有哪些亮点研究值得学习呢?小编对此进行了整理,与各位分享。

      1.Science:脂肪细胞释放的含脂质外泌体竟能调节巨噬细胞
      doi:10.1126/science.aaw2586; doi:10.1126/science.aaw6765


      在一项针对小鼠的新研究中,来自美国哥伦比亚大学和罗格斯大学的研究人员发现脂肪组织释放出一种充满脂质的颗粒,这种颗粒在免疫功能和代谢中起作用。相关研究结果发表在2019年3月1日的Science期刊上,论文标题为“A lipase-independent pathway of lipid release and immune modulation by adipocytes”。论文通讯作者为哥伦比亚大学瓦格洛斯内科与外科医学院预防医学教授Anthony Ferrante Jr.博士。
       

      图片来自CC0 Public Domain。


      这些研究人员发现脂肪细胞不仅释放出甘油三酯中的脂肪酸成分,它们还释放出包装成小颗粒的完整甘油三酯。这些称为脂肪细胞外泌体(adipocyte exosome, AdExo)的填充着脂质的颗粒被脂肪组织中的巨噬细胞摄取。巨噬细胞快速地降解AdExo中的甘油三酯并释放出 脂肪酸。Ferrante猜测释放出的脂肪酸被脂肪细胞在脂质循环中摄取,从而为脂肪细胞重新供应新的脂质。Ferrante指出,“在骨骼中存在一种类似的机制:破骨细胞(osteoclast)---另一种类型的巨噬细胞---将骨骼降解成钙和磷酸盐,用于制造新的骨骼。这种循环 对骨骼健康至关重要。我们如今想知道一种类似的循环是否存在于脂肪组织中以维持它的健康。”

      此外,这些研究人员发现AdExo似乎控制着免疫细胞的发育。科学家们对巨噬细胞如何产生组织特异性功能没有一个清晰的认识。但是,Ferrante和他的团队发现AdExo可能在“教育”免疫细胞方面发挥核心作用,诱导骨髓细胞发育成巨噬细胞,所产生的巨噬细胞经指导 后消化和循环利用脂质。

      2.Science:小分子JNJ4796有望抑制多种流感病毒
      doi:10.1126/science.aar6221


      在一项新的研究中,来自荷兰、美国和比利时的研究人员发现了一种模拟广泛中和抗体行为的小分子。相关研究结果发表在2019年3月8日的Science期刊上,论文标题为“A small-molecule fusion inhibitor of influenza virus is orally active in mice”。在这篇论文中,他们描述了他们对这种分子的研究以及它在小鼠体内抵抗流感方面的作用。

      当前,流感疫苗的作用机制是刺激免疫系统,提醒它需要比身体更快地产生抗体,这让身体几乎立即开始抵抗感染,阻止这种感染变得严重。但是大多数人都知道,疫苗仅含有一定数量的被杀死的流感病毒,这意味着那些接种疫苗的人仍然面临其他流感病毒变异株感染的风险。之前的研究已表明一般的抗流感抗体仅能够靶向一种流感病毒变异株。但是近期的研究表明,还有其他类型的抗体在发挥作用,它们能够靶向一种以上的流感病毒变异株,因而被称为广泛中和抗体。迄今为止,构建触发这类抗体产生的疫苗的研究工作尚未取得很大成功。但是,它们导致以类似方式与流感病毒结合的蛋白的产生。在这项新的研究中,这些研究人员发现了一种模拟这类蛋白行为的小分子,不过它的优点是能够在体内存活足够长时间,从而足以找到流感病毒并阻止它。

      为了找到这种分子,这些研究人员首先使用一种名为HB80.4的蛋白,这种蛋白经证实能够与流感病毒结合,而且对它的密切研究揭示了它的结合机制。他们利用这些信息筛选了50多万个小分子,旨在一种寻找能够以同样方式与流感病毒结合的小分子。最终,他们找到了一种称为JNJ4796的小分子。

      这些研究人员将这种分子以药片的形式给予感染了大剂量流感病毒的小鼠,从而对它进行测试。他们报道测试组中没有一只小鼠死亡,而对照组中的一半小鼠死掉了。他们还报道这种分子能够中和人类支气管细胞中的流感病毒。

      3.Science:中美科学家揭示AIBP介导的胆固醇外流调节造血干细胞的命运
      doi:10.1126/science.aav1749; doi:10.1126/science.aaw7059


      在脊椎动物中,造血干/祖细胞(hematopoietic stem/progenitor cell, HSPC)通过产生全部的血细胞谱系来维持造血输出。之前的研究已表明血管在发育期间的HSPC特化中起着至关重要的作用。在胚胎发生期间,HSPC由位于背主动脉(dorsal aorta, DA)底部的一个罕见的内皮细胞群体产生。早前的研究已表明作为一种载脂蛋白A-1结合蛋白(AIBP),蛋白Aibp2(亦称Yjefn3)调节背主动脉中的血管生成。作为动脉粥样硬化的一种驱动因素,高胆固醇血症加快造血干/祖细胞(hematopoietic stem/progenitor cell, HSPC)增殖和动员。但是将高胆固醇血症与造血功能相关联在一起的分子决定因素是未知的。 

      图片来自Science, 2019, doi:10.1126/science.aav1749。


      在一项新的研究中,中国中南大学湘雅医院老年病科的柏勇平(Yongping Bai)课题组、美国休斯敦卫理公会研究所的Longhou Fang团队和Kaifu Chen团队报道作为一种体节源性促造血信号分子,AIBP协调HSPC在造血内皮(hemogenic endothelium)中产生,其中造血内皮是一类展现出造血潜能的特殊内皮。从机制上讲,AIBP调节的胆固醇外流激活内皮中参与胆固醇生物合成的一种称为Srebp2的主转录因子,这接着反式激活Notch和促进HSPC产生。相关研究结果于2019年1月31日在线发表在Science期刊上,论文标题为“AIBP-mediated cholesterol efflux instructs hematopoietic stem and progenitor cell fate”。

      在进一步的实验中,这些研究人员证实抑制Srebp2会破坏高胆固醇血症诱导的HSPC增殖。他们还发现Srebp2活化和Notch上调与高胆固醇血症患者中的HSPC增殖存在关联性。通过采用多种测序技术---全基因组CHIP-seq、RNA-seq和ATAC-seq,他们证实Srebp2反式调节造血功能所必需的Notch通路基因。

      4.Science:我国李亦学课题组和杨辉课题组揭示胞嘧啶碱基编辑器诱导大量的单位点脱靶突变
      doi:10.1126/science.aav九九73


      基因组编辑在治疗由致命性突变引起的遗传疾病上有很大的潜力。对基因组编辑的脱靶效应进行全面分析是验证这种编辑实用性所必需的。科学家们已开发出多种方法来检测全基因组范围内的基因编辑脱靶位点。然而,这些方法并不适用于检测体内的单核苷酸变异(SNV)。

      在一项新的研究中,中国科学院的李亦学(Yixue Li)课题组、杨辉(Hui Yang)课题组和美国斯坦福大学的Lars M。 Steinmetz课题组开发出一种称为GOTI(genome-wide off-target analysis by two-cell embryo injection, 利用双细胞胚胎注射进行全基因组脱靶分析)的方法来评估三种经常使用的基因编辑工具---CRISPR/Cas9、胞嘧啶碱基编辑器3(BE3, rAPOBEC1-nCas9-UGI)、腺嘌呤碱基编辑器7。10(ABE7。10, TadA-TadA*-nCas9)---诱导的脱靶效应。简言之,这些研究人员将CRISPR/Cas9、BE3或ABE7。10与Cre mRNA一起注射到源自Ai9(CAG-LoxP-Stop-LoxP-tdTomato)小鼠的双细胞胚胎的卵裂球中。在胚胎期第14。5天(ED14。5)时,基于tdTomato的表达,利用荧光活化细胞分选方法(FACS)对经过编辑的卵裂球和未经过编辑的卵裂球的后代细胞进行分选。与此同时,在ED14。5时,整个胚胎也很容易经消化后获得足够的单细胞。他们随后对tdTomato阳性细胞和tdTomato阴性细胞单独地进行全基因组测序(WGS)。以来自相同胚胎的tdTomato阴性样本作为对照,利用三种算法对来自相同胚胎的tdTomato阳性样本中的SNV和indel(insertion or deletion, 插入或删除)进行研究。

      在这项新的研究中,这些研究人员包括了12个组:一个Cre组(Cre-only, 仅注射Cre)、6个具有或不具有单向导RNA(sgRNA)的Cas9组(Cas9、Cas9-LacZ、Cas9-Pde6b、Cas9-Tyr-A、Cas9-Tyr-B和Cas9-Tyr-C)、三个具有或不具有sgRNA的BE3组(BE3、BE3-Tyr-C和BE3-Tyr-D)和两个具有或不具有sgRNA的ABE组(ABE7。10和ABE7。10-Tyr-E)。首先,他们通过桑格测序(Sanger sequencing)在胚胎8细胞和ED14。5时验证了他们的方法在胚胎中的在靶效率。为了进一步探究在靶效率和潜在的全基因组脱靶效应,他们对来自ED14。5胚胎的46个样本进行全基因组测序,并证实Cas9、BE3和ABE7。10在tdTomato阳性细胞中高效地诱导indel和核苷酸替换。

      令人吃惊的是,这些研究人员在经过BE3处理的胚胎中,发现了平均每个胚胎存在283个SNV,这一水平至少要比在经过Cre或Cas9处理的胚胎中观察到的高出20倍。相反之下,在经过ABE7.10处理的胚胎中,平均每个胚胎存在10个SNV,这一频率接近于自发性突变率。他们进一步地将在BE3-only组(即仅注射BE3的组)中鉴定出的脱靶位点与在BE3-Tyr-C组或BE3-Tyr-D组中鉴定出的脱靶位点进行了比较,并发现sgRNA的存在并不诱导显著高的SNV(P=0.21,Kruskal-Wallis test)。此外,这些变异是在tdTomato阳性细胞而不是在tdTomato阴性细胞中特异地鉴定出的。 

      令人关注的是,在经过BE3编辑的细胞中鉴定出的90%以上的SNV是G>A或C>T,这一突变偏好并没有在经过Cre、Cas9或ABE7.10处理的细胞中观察到。这一突变偏好与APOBEC1本身的突变偏好相同,这表明这些突变并不是自发的而是由BE3编辑诱导的。之前的研究已表明APOBEC家族的几个成员(包括APOBEC1)发挥作用需要单链DNA。与此相一致的是,这些研究人员的分析表明由BE3诱导的SNV在转录区域中显著富集,特别是在高度表达的基因中。有趣的是,这些脱靶位点中的任何一个并不与经过BE3处理的胚胎中观察到的相同,而且也不与预测的脱靶突变发生重叠。此外,也并未在脱靶序列和靶序列之间观察到相似性,然而,预测的排名靠前的脱靶位点与BE3的在靶位点存在着较高的序列相似性。因此,BE3引起的脱靶SNV并不依赖于sgRNA并且可能是由APOBEC1过度表达导致的。 

      在经过BE3处理的胚胎中观察到的1698个SNV中,26个SNV位于外显子中,其中的14个导致非同义变化。这些研究人员成功地将通过PCR扩增了其中的20个SNV并通过桑格测序证实了它们的存在。他们还发现1个SNV位于一个原癌基因中,13个SNV位于肿瘤抑制基因中,这就让人对BE3编辑的致癌风险感到担忧。这种风险可能通过表达较低数量的BE3加以降低。然而,他们发现当表达较低数量的BE3时,在靶效率逐渐降低。 

      令人关注的是,这些研究人员发现大量新生突变是由BE3诱导的,这一点在之前的研究中并未报道过。一种可能的解释就是GOTI研究了源自单个经过基因编辑的卵裂球的细胞群体,而之前的研究使用了大量的细胞群体,在那里,编辑是可变的,而且由于细胞群体平均化,这会导致随机的脱靶信号丢失。不同于BE3的是,ABE7。10并不导致SNV数量增加,这很可能是缺乏TadA的DNA结合能力。这些碱基编辑器的脱靶效应可能通过降低APOBEC1的DNA结合能力或者使用不同的胞苷脱氨酶版本来加以降低。总之,GOTI可用于研究多种基因编辑工具的脱靶效应,而且不受在不同个体中存在的单核苷酸多态性(SNP)的干扰。

      5.Science:中科院高彩霞课题组发现胞嘧啶碱基编辑器引发意想不到的全基因组脱靶突变
      doi:10.1126/science.aaw7166


      在一项新的研究中,中国科学院的高彩霞(Caixia Gao)课题组通过对作为一种重要的作物物种的水稻进行全基因组测序对胞嘧啶碱基编辑器(BE3和HF1-BE3)和腺嘌呤碱基编辑器(ABE)产生的脱靶突变进行全面调查。他们发现胞嘧啶碱基编辑器(BE3和HF1-BE3)诱导全基因组脱靶突变。相关研究结果于2019年2月28日在线发表在Science期刊上,论文标题为“Cytosine, but not adenine, base editors induce genome-wide off-target mutations in rice”。

      图片来自Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences。


      在这项新的研究中,高彩霞课题组选择了三种广泛使用的碱基编辑器:BE3、高保真BE3(HF1-BE3)和ABE,其中BE3和HF1-BE3属于胞嘧啶碱基编辑器(CBE)。将靶向11个基因组位点的总共14个碱基编辑器构造体通过农杆菌转化方法转化到水稻中。他们利用全基因组测序对由BE3、HF1-BE3或ABE编辑的再生T0水稻植物;经过这些碱基编辑器转化但没有经过sgRNA转化的水稻植物以及两个对照组水稻植物(即野生型水稻和转基因水稻的无效分离株)进行分析。

      这些碱基编辑器组(即BE3组、HF1-BE3组和ABE组)和对照组在发现的插入或删除(insertion or deletion, indel)数量上没有显著差异。相反之下,BE3组和HF1-BE3组要比ABE组和对照组具有显著更多的单核苷酸变异(SNV)。

      在这些碱基编辑器组和对照组中,每株水稻植物的C>T单核苷酸变异(SNV)的平均数量为:203(BE3)、347(HF1-BE3)、88(ABE)和105(对照组)。因此,BE3组和HF1-BE3组水稻植物中的C>T单核苷酸变异数量分别比对照组水稻植物高94.5%和231.9%。

      总而言之,由高彩霞课题组产生的数据表明是BE3和HF1-BE3,而并不是ABE,在水稻中诱导全基因组脱靶突变。这些脱靶突变主要是C>T单核苷酸变异,在转录的基因区域中富集,通过当前的计算机方法是无法预测的。含有胞嘧啶脱氨酶的碱基转化单元可能是由BE3和HF1-BE3引发的较高数量的脱靶单核苷酸变异的原因,因而需要加以优化以提高胞嘧啶碱基编辑器(BE3和HF1-BE3)的特异性。

      6.Science:神奇!发现除有性繁殖和无性繁殖之外的第三种繁殖类型
      doi:10.1126/science.aau0099


      1949年,年轻的生物学家Victor Nigon在其博士论文中描述了生活在土壤中的各种线虫的繁殖。这些线虫包括Mesorhabditis belari,在这种线虫中,少量的雄性线虫是繁殖所必需的,尽管在精子中发现的遗传物质很少被卵子使用。由此形成的胚胎产生雌性线虫后代, 它是其母本的一个克隆。 

      七十年后,这种线虫又引起了人们的兴趣。在一项新的研究中,来自法国、英国和瑞士的研究人员证实了Victor Nigon的初步观察结果,但也指出在9%的情形下,精子中的遗传物质用于受精,所形成的胚胎会产生雄性后代。雄性线虫随后仅将它们的基因传递给它们的雄 性后代,这就使得Mesorhabditis belari成为一种独特的例子:雄性不会产生遗传贡献,相反,它们被视为雌性的简单延伸,帮助雌性启动它们的卵子发育。相关研究结果发表在2019年3月15日的Science期刊上,论文标题为“Males as somatic investment in a parthenogenetic nematode”

      但是,为什么这会导致9%而不是2%或20%的雄性后代?通过使用博弈论,这些研究人员发现产生9%的雄性后代是一种稳定的进化策略,这是因为这个数量足以确保产生最多数量的雌性后代,而不会在不产生遗传贡献的雄性后代产生中浪费太多资源。

      7.Science:在低氧条件下,染色质会快速地发生变化
      doi:10.1126/science.aau5870; doi:10.1126/science.aaw8373


      在一项新的研究中,来自英国利物浦大学和邓迪大学的研究人员针对细胞如何应对缺氧提出了新见解。他们发现作为DNA和蛋白的复合物,染色质在低氧条件下快速地发生变化。相关研究结果发表在2019年3月15日的Science期刊上,论文标题为“Hypoxia induces rapid changes to histone methylation and reprograms chromatin”。论文通讯作者为利物浦大学的Sonia Rocha教授。

      图片来自CC0 Public Domain。


      氧气对人类生命至关重要。重要的是,在从中风到癌症的各种人类疾病中都观察到缺氧。以前的研究主要集中在“缺氧诱导因子(HIF)”的激活上,HIF是对可用氧的减少作出反应的转录因子,并能够激活数百个基因。但是,众所周知,这些反应需要几个小时才能发起 。

      为了研究更快启动的过程,这些研究人员在人细胞中寻找了短期缺氧后发生的特定分子变化。他们发现染色质在低氧条件下快速地发生变化,而且这些变化是细胞在数小时后对低氧作出反应所必需的。他们接着发现染色质发生变化的机制是通过抑制一类需要氧气来激活 的酶(比如KDM5A)实现的。这些完全出乎意料的发现首次表明在对氧气降低作出反应时,染色质的变化先于基因表达的激活。

      8.Science:发现细胞感知氧气新机制!抗癌药物迎来新突破!
      doi:10.1126/science.aaw1026; doi:10.1126/science.aaw8373 


      来自奥卢大学和哈佛大学的研究人员已经发现了一种过去未知的体内细胞感受氧气的机制,而缺氧对基因的功能有着重要的直接影响,可以防止细胞分化。这项研究发表在《Science》上,为开发新的抗癌药物带来了新思路。

      这项研究的重点在于一种叫做组蛋白去甲基化酶的酶,它的任务是调节染色体的结构。研究人员发现缺氧会导致某些组蛋白去甲基化酶无法工作,结果就是细胞无法分化。这项发现和开发新的抗癌药物有关,因为癌细胞通常是未分化的,而许多肿瘤中都出现了染色体异 常的现象。

      “这是第一次发现氧气水平对组蛋白去甲基化酶有直接的影响。”来自奥卢大学的Peppi Karppinen教授说道。Karppinen教授表示他们的发现将改变人们对机体感知氧气方式的认知。
      (生物谷 )

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