2019年3月Science期刊不得不看的亮點研究
2019年3月31日訊/生物谷BIOON/---2019年3月份即將結束了，3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：脂肪細胞釋放的含脂質外泌體竟能調節巨噬細胞 doi:10.1126/science.aaw2586; doi:10.1126/science.aaw6765
在一項針對小鼠的新研究中，來自美國哥倫比亞大學和羅格斯大學的研究人員發現脂肪組織釋放出一種充滿脂質的顆粒，這種顆粒在免疫功能和代謝中起作用。相關研究結果發表在2019年3月1日的Science期刊上，論文標題為“A lipase-independent pathway of lipid release and immune modulation by adipocytes”。論文通訊作者為哥倫比亞大學瓦格洛斯內科與外科醫學院預防醫學教授Anthony Ferrante Jr.博士。
圖片來自CC0 Public Domain。
這些研究人員發現脂肪細胞不僅釋放出甘油三酯中的脂肪酸成分，它們還釋放出包裝成小顆粒的完整甘油三酯。這些稱為脂肪細胞外泌體（adipocyte exosome, AdExo）的填充著脂質的顆粒被脂肪組織中的巨噬細胞攝取。巨噬細胞快速地降解AdExo中的甘油三酯并釋放出 脂肪酸。Ferrante猜測釋放出的脂肪酸被脂肪細胞在脂質循環中攝取，從而為脂肪細胞重新供應新的脂質。Ferrante指出，“在骨骼中存在一種類似的機制：破骨細胞（osteoclast）---另一種類型的巨噬細胞---將骨骼降解成鈣和磷酸鹽，用于制造新的骨骼。這種循環 對骨骼健康至關重要。我們如今想知道一種類似的循環是否存在于脂肪組織中以維持它的健康。”
此外，這些研究人員發現AdExo似乎控制著免疫細胞的發育。科學家們對巨噬細胞如何產生組織特異性功能沒有一個清晰的認識。但是，Ferrante和他的團隊發現AdExo可能在“教育”免疫細胞方面發揮核心作用，誘導骨髓細胞發育成巨噬細胞，所產生的巨噬細胞經指導 后消化和循環利用脂質。
2.Science：小分子JNJ4796有望抑制多種流感病毒
doi:10.1126/science.aar6221
在一項新的研究中，來自荷蘭、美國和比利時的研究人員發現了一種模擬廣泛中和抗體行為的小分子。相關研究結果發表在2019年3月8日的Science期刊上，論文標題為“A small-molecule fusion inhibitor of influenza virus is orally active in mice”。在這篇論文中，他們描述了他們對這種分子的研究以及它在小鼠體內抵抗流感方面的作用。
當前，流感疫苗的作用機制是刺激免疫系統，提醒它需要比身體更快地產生抗體，這讓身體幾乎立即開始抵抗感染，阻止這種感染變得嚴重。但是大多數人都知道，疫苗僅含有一定數量的被殺死的流感病毒，這意味著那些接種疫苗的人仍然面臨其他流感病毒變異株感染的風險。之前的研究已表明一般的抗流感抗體僅能夠靶向一種流感病毒變異株。但是近期的研究表明，還有其他類型的抗體在發揮作用，它們能夠靶向一種以上的流感病毒變異株，因而被稱為廣泛中和抗體。迄今為止，構建觸發這類抗體產生的疫苗的研究工作尚未取得很大成功。但是，它們導致以類似方式與流感病毒結合的蛋白的產生。在這項新的研究中，這些研究人員發現了一種模擬這類蛋白行為的小分子，不過它的優點是能夠在體內存活足夠長時間，從而足以找到流感病毒并阻止它。
為了找到這種分子，這些研究人員首先使用一種名為HB80.4的蛋白，這種蛋白經證實能夠與流感病毒結合，而且對它的密切研究揭示了它的結合機制。他們利用這些信息篩選了50多萬個小分子，旨在一種尋找能夠以同樣方式與流感病毒結合的小分子。最終，他們找到了一種稱為JNJ4796的小分子。
這些研究人員將這種分子以藥片的形式給予感染了大劑量流感病毒的小鼠，從而對它進行測試。他們報道測試組中沒有一只小鼠死亡，而對照組中的一半小鼠死掉了。他們還報道這種分子能夠中和人類支氣管細胞中的流感病毒。
3.Science：中美科學家揭示AIBP介導的膽固醇外流調節造血干細胞的命運
doi:10.1126/science.aav1749; doi:10.1126/science.aaw7059
在脊椎動物中，造血干/祖細胞（hematopoietic stem/progenitor cell, HSPC）通過產生全部的血細胞譜系來維持造血輸出。之前的研究已表明血管在發育期間的HSPC特化中起著至關重要的作用。在胚胎發生期間，HSPC由位于背主動脈（dorsal aorta, DA）底部的一個罕見的內皮細胞群體產生。早前的研究已表明作為一種載脂蛋白A-1結合蛋白（AIBP），蛋白Aibp2（亦稱Yjefn3）調節背主動脈中的血管生成。作為動脈粥樣硬化的一種驅動因素，高膽固醇血癥加快造血干/祖細胞（hematopoietic stem/progenitor cell, HSPC）增殖和動員。但是將高膽固醇血癥與造血功能相關聯在一起的分子決定因素是未知的。
圖片來自Science, 2019, doi:10.1126/science.aav1749。
在一項新的研究中，中國中南大學湘雅醫院老年病科的柏勇平（Yongping Bai）課題組、美國休斯敦衛理公會研究所的Longhou Fang團隊和Kaifu Chen團隊報道作為一種體節源性促造血信號分子，AIBP協調HSPC在造血內皮（hemogenic endothelium）中產生，其中造血內皮是一類展現出造血潛能的特殊內皮。從機制上講，AIBP調節的膽固醇外流激活內皮中參與膽固醇生物合成的一種稱為Srebp2的主轉錄因子，這接著反式激活Notch和促進HSPC產生。相關研究結果于2019年1月31日在線發表在Science期刊上，論文標題為“AIBP-mediated cholesterol efflux instructs hematopoietic stem and progenitor cell fate”。
在進一步的實驗中，這些研究人員證實抑制Srebp2會破壞高膽固醇血癥誘導的HSPC增殖。他們還發現Srebp2活化和Notch上調與高膽固醇血癥患者中的HSPC增殖存在關聯性。通過采用多種測序技術---全基因組CHIP-seq、RNA-seq和ATAC-seq，他們證實Srebp2反式調節造血功能所必需的Notch通路基因。
4.Science：我國李亦學課題組和楊輝課題組揭示胞嘧啶堿基編輯器誘導大量的單位點脫靶突變
doi:10.1126/science.aav9973
基因組編輯在治療由致命性突變引起的遺傳疾病上有很大的潛力。對基因組編輯的脫靶效應進行全面分析是驗證這種編輯實用性所必需的。科學家們已開發出多種方法來檢測全基因組范圍內的基因編輯脫靶位點。然而，這些方法并不適用于檢測體內的單核苷酸變異（SNV）。
在一項新的研究中，中國科學院的李亦學（Yixue Li）課題組、楊輝（Hui Yang）課題組和美國斯坦福大學的Lars M. Steinmetz課題組開發出一種稱為TI（genome-wide off-target analysis by two-cell embryo injection, 利用雙細胞胚胎注射進行全基因組脫靶分析）的方法來評估三種經常使用的基因編輯工具---CRISPR/Cas9、胞嘧啶堿基編輯器3（BE3, rAPOBEC1-nCas9-UGI）、腺嘌呤堿基編輯器7.10（ABE7.10, TadA-TadA*-nCas9）---誘導的脫靶效應。簡言之，這些研究人員將CRISPR/Cas9、BE3或ABE7.10與Cre mRNA一起注射到源自Ai9（CAG-LoxP-Stop-LoxP-tdTomato）小鼠的雙細胞胚胎的卵裂球中。在胚胎期第14.5天（ED14.5）時，基于tdTomato的表達，利用熒光活化細胞分選方法（FACS）對經過編輯的卵裂球和未經過編輯的卵裂球的后代細胞進行分選。與此同時，在ED14.5時，整個胚胎也很容易經消化后獲得足夠的單細胞。他們隨后對tdTomato陽性細胞和tdTomato陰性細胞單獨地進行全基因組測序（WGS）。以來自相同胚胎的tdTomato陰性樣本作為對照，利用三種算法對來自相同胚胎的tdTomato陽性樣本中的SNV和indel（insertion or deletion, 插入或刪除）進行研究。
在這項新的研究中，這些研究人員包括了12個組：一個Cre組（Cre-only, 僅注射Cre）、6個具有或不具有單向導RNA（sgRNA）的Cas9組（Cas9、Cas9-LacZ、Cas9-Pde6b、Cas9-Tyr-A、Cas9-Tyr-B和Cas9-Tyr-C）、三個具有或不具有sgRNA的BE3組（BE3、BE3-Tyr-C和BE3-Tyr-D）和兩個具有或不具有sgRNA的ABE組（ABE7.10和ABE7.10-Tyr-E）。首先，他們通過桑格測序（Sanger sequencing）在胚胎8細胞和ED14.5時驗證了他們的方法在胚胎中的在靶效率。為了進一步探究在靶效率和潛在的全基因組脫靶效應，他們對來自ED14.5胚胎的46個樣本進行全基因組測序，并證實Cas9、BE3和ABE7.10在tdTomato陽性細胞中高效地誘導indel和核苷酸替換。
令人吃驚的是，這些研究人員在經過BE3處理的胚胎中，發現了平均每個胚胎存在283個SNV，這一水平至少要比在經過Cre或Cas9處理的胚胎中觀察到的高出20倍。相反之下，在經過ABE7.10處理的胚胎中，平均每個胚胎存在10個SNV，這一頻率接近于自發性突變率。他們進一步地將在BE3-only組（即僅注射BE3的組）中鑒定出的脫靶位點與在BE3-Tyr-C組或BE3-Tyr-D組中鑒定出的脫靶位點進行了比較，并發現sgRNA的存在并不誘導顯著高的SNV（P=0.21，Kruskal-Wallis test）。此外，這些變異是在tdTomato陽性細胞而不是在tdTomato陰性細胞中特異地鑒定出的。
令人關注的是，在經過BE3編輯的細胞中鑒定出的90%以上的SNV是G>A或C>T，這一突變偏好并沒有在經過Cre、Cas9或ABE7.10處理的細胞中觀察到。這一突變偏好與APOBEC1本身的突變偏好相同，這表明這些突變并不是自發的而是由BE3編輯誘導的。之前的研究已表明APOBEC家族的幾個成員（包括APOBEC1）發揮作用需要單鏈DNA。與此相一致的是，這些研究人員的分析表明由BE3誘導的SNV在轉錄區域中顯著富集，特別是在高度表達的基因中。有趣的是，這些脫靶位點中的任何一個并不與經過BE3處理的胚胎中觀察到的相同，而且也不與預測的脫靶突變發生重疊。此外，也并未在脫靶序列和靶序列之間觀察到相似性，然而，預測的排名靠前的脫靶位點與BE3的在靶位點存在著較高的序列相似性。因此，BE3引起的脫靶SNV并不依賴于sgRNA并且可能是由APOBEC1過度表達導致的。
在經過BE3處理的胚胎中觀察到的1698個SNV中，26個SNV位于外顯子中，其中的14個導致非同義變化。這些研究人員成功地將通過PCR擴增了其中的20個SNV并通過桑格測序證實了它們的存在。他們還發現1個SNV位于一個原癌基因中，13個SNV位于腫瘤抑制基因中，這就讓人對BE3編輯的致癌風險感到擔憂。這種風險可能通過表達較低數量的BE3加以降低。然而，他們發現當表達較低數量的BE3時，在靶效率逐漸降低。
令人關注的是，這些研究人員發現大量新生突變是由BE3誘導的，這一點在之前的研究中并未報道過。一種可能的解釋就是TI研究了源自單個經過基因編輯的卵裂球的細胞群體，而之前的研究使用了大量的細胞群體，在那里，編輯是可變的，而且由于細胞群體平均化，這會導致隨機的脫靶信號丟失。不同于BE3的是，ABE7.10并不導致SNV數量增加，這很可能是缺乏TadA的DNA結合能力。這些堿基編輯器的脫靶效應可能通過降低APOBEC1的DNA結合能力或者使用不同的胞苷脫氨酶版本來加以降低。總之，TI可用于研究多種基因編輯工具的脫靶效應，而且不受在不同個體中存在的單核苷酸多態性（SNP）的干擾。
5.Science：中科院高彩霞課題組發現胞嘧啶堿基編輯器引發意想不到的全基因組脫靶突變
doi:10.1126/science.aaw7166
在一項新的研究中，中國科學院的高彩霞（Caixia Gao）課題組通過對作為一種重要的作物物種的水稻進行全基因組測序對胞嘧啶堿基編輯器（BE3和HF1-BE3）和腺嘌呤堿基編輯器（ABE）產生的脫靶突變進行全面調查。他們發現胞嘧啶堿基編輯器（BE3和HF1-BE3）誘導全基因組脫靶突變。相關研究結果于2019年2月28日在線發表在Science期刊上，論文標題為“Cytosine, but not adenine, base editors induce genome-wide off-target mutations in rice”。
圖片來自Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences。
在這項新的研究中，高彩霞課題組選擇了三種廣泛使用的堿基編輯器：BE3、高保真BE3（HF1-BE3）和ABE，其中BE3和HF1-BE3屬于胞嘧啶堿基編輯器（CBE）。將靶向11個基因組位點的總共14個堿基編輯器構造體通過農桿菌轉化方法轉化到水稻中。他們利用全基因組測序對由BE3、HF1-BE3或ABE編輯的再生T0水稻植物；經過這些堿基編輯器轉化但沒有經過sgRNA轉化的水稻植物以及兩個對照組水稻植物（即野生型水稻和轉基因水稻的無效分離株）進行分析。
這些堿基編輯器組（即BE3組、HF1-BE3組和ABE組）和對照組在發現的插入或刪除（insertion or deletion, indel）數量上沒有顯著差異。相反之下，BE3組和HF1-BE3組要比ABE組和對照組具有顯著更多的單核苷酸變異（SNV）。
在這些堿基編輯器組和對照組中，每株水稻植物的C>T單核苷酸變異（SNV）的平均數量為：203（BE3）、347（HF1-BE3）、88（ABE）和105（對照組）。因此，BE3組和HF1-BE3組水稻植物中的C>T單核苷酸變異數量分別比對照組水稻植物高94.5％和231.9％。
總而言之，由高彩霞課題組產生的數據表明是BE3和HF1-BE3，而并不是ABE，在水稻中誘導全基因組脫靶突變。這些脫靶突變主要是C>T單核苷酸變異，在轉錄的基因區域中富集，通過當前的計算機方法是無法預測的。含有胞嘧啶脫氨酶的堿基轉化單元可能是由BE3和HF1-BE3引發的較高數量的脫靶單核苷酸變異的原因，因而需要加以優化以提高胞嘧啶堿基編輯器（BE3和HF1-BE3）的特異性。
6.Science：神奇！發現除有性繁殖和無性繁殖之外的第三種繁殖類型
doi:10.1126/science.aau0099
1949年，年輕的生物學家Victor Nin在其博士論文中描述了生活在土壤中的各種線蟲的繁殖。這些線蟲包括Mesorhabditis belari，在這種線蟲中，少量的雄性線蟲是繁殖所必需的，盡管在精子中發現的遺傳物質很少被卵子使用。由此形成的胚胎產生雌性線蟲后代， 它是其母本的一個克隆。
七十年后，這種線蟲又引起了人們的興趣。在一項新的研究中，來自法國、英國和瑞士的研究人員證實了Victor Nin的初步觀察結果，但也指出在9%的情形下，精子中的遺傳物質用于受精，所形成的胚胎會產生雄性后代。雄性線蟲隨后僅將它們的基因傳遞給它們的雄 性后代，這就使得Mesorhabditis belari成為一種獨特的例子：雄性不會產生遺傳貢獻，相反，它們被視為雌性的簡單延伸，幫助雌性啟動它們的卵子發育。相關研究結果發表在2019年3月15日的Science期刊上，論文標題為“Males as somatic investment in a parthenogenetic nematode”
但是，為什么這會導致9％而不是2％或20％的雄性后代？通過使用博弈論，這些研究人員發現產生9％的雄性后代是一種穩定的進化策略，這是因為這個數量足以確保產生最多數量的雌性后代，而不會在不產生遺傳貢獻的雄性后代產生中浪費太多資源。
7.Science：在低氧條件下，染色質會快速地發生變化
doi:10.1126/science.aau5870; doi:10.1126/science.aaw8373
在一項新的研究中，來自英國利物浦大學和鄧迪大學的研究人員針對細胞如何應對缺氧提出了新見解。他們發現作為DNA和蛋白的復合物，染色質在低氧條件下快速地發生變化。相關研究結果發表在2019年3月15日的Science期刊上，論文標題為“Hypoxia induces rapid changes to histone methylation and reprograms chromatin”。論文通訊作者為利物浦大學的Sonia Rocha教授。
圖片來自CC0 Public Domain。
氧氣對人類生命至關重要。重要的是，在從中風到癌癥的各種人類疾病中都觀察到缺氧。以前的研究主要集中在“缺氧誘導因子（HIF）”的激活上，HIF是對可用氧的減少作出反應的轉錄因子，并能夠激活數百個基因。但是，眾所周知，這些反應需要幾個小時才能發起 。
為了研究更快啟動的過程，這些研究人員在人細胞中尋找了短期缺氧后發生的特定分子變化。他們發現染色質在低氧條件下快速地發生變化，而且這些變化是細胞在數小時后對低氧作出反應所必需的。他們接著發現染色質發生變化的機制是通過抑制一類需要氧氣來激活 的酶（比如KDM5A）實現的。這些完全出乎意料的發現首次表明在對氧氣降低作出反應時，染色質的變化先于基因表達的激活。
8.Science：發現細胞感知氧氣新機制！抗癌藥物迎來新突破！
doi:10.1126/science.aaw1026; doi:10.1126/science.aaw8373
來自奧盧大學和哈佛大學的研究人員已經發現了一種過去未知的體內細胞感受氧氣的機制，而缺氧對基因的功能有著重要的直接影響，可以防止細胞分化。這項研究發表在《Science》上，為開發新的抗癌藥物帶來了新思路。
這項研究的重點在于一種叫做組蛋白去甲基化酶的酶，它的任務是調節染色體的結構。研究人員發現缺氧會導致某些組蛋白去甲基化酶無法工作，結果就是細胞無法分化。這項發現和開發新的抗癌藥物有關，因為癌細胞通常是未分化的，而許多腫瘤中都出現了染色體異 常的現象。
“這是第一次發現氧氣水平對組蛋白去甲基化酶有直接的影響。”來自奧盧大學的Peppi Karppinen教授說道。Karppinen教授表示他們的發現將改變人們對機體感知氧氣方式的認知。
9.Science：重大進展！自體移植冷凍保存的青春期前睪丸組織可恢復猴子的生育力
doi:10.1126/science.aav2914; doi:10.1126/science.aaw6927
三分之一的兒童癌癥幸存者有可能因化療或放療而變得不能生育，并且鑒于他們的精子或卵子尚未發育成熟，因此當他們成年時，使用這些精子或卵子進行輔助生殖是不可取的。如今，在一項新的研究中，來自美國匹茲堡大學和德克薩斯大學MD安德森癌癥中心的研究人員報道在一種非人靈長類動物模型中，未成熟的睪丸組織可冷凍保存，在此后可用于恢復這種靈長類動物（即恒河猴）的生育能力。這一進展標志著下一代輔助生殖療法發展的一個里程碑，并且為即將接受癌癥治療的青春期前的男孩提供了保留生育能力的希望。相關研究結果發表在2019年3月22日的Science期刊上，論文標題為“Autolous grafting of cryopreserved prepubertal rhesus testis produces sperm and offspring”。論文通訊作者為匹茲堡大學醫學院的Kyle Orwig博士。
Orwig和他的團隊開發出一種癌癥幸存非人靈長類動物模型。在用化療進行治療之前，這些研究人員冷凍保存了這種動物的未成熟的睪丸組織。他們隨后解凍這種組織的一部分并將它移植回到同一動物的皮膚下。在8到12個月后，在這些動物進入青春期后，這些研究人員取出移植物并發現存在大量精子。他們將這些精子送給美國俄勒岡州健康與科學大學俄勒岡州國家靈長類動物研究中心的合作者，這些合作者能夠產生可存活的胚胎，然后將這些精子移植到雌性非人靈長類動物受者中。2018年4月，其中的一只雌性非人靈長類動物受者生下了一個健康的雌性后代，Orwig將其命名為“Grady”。
兩周大的猴子（名叫Grady），圖片來自OHSU。
這些研究人員指出，與以前的研究相比，他們使用了一種不同的冷凍保存方案并移植了更大片的睪丸組織，從而可能有助于這項新的研究取得成功。
10.Science：重大進展！使用戒煙藥控制神經元doi:10.1126/science.aav5282
在一項新的研究中，來自美國國家藥物濫用研究所、紐約大學和霍華德休斯醫學研究所等研究機構的研究人員發現一種戒煙藥---稱為uPSEM---具有新的作用：作為一種化學開關，開啟或關閉選定的神經元。這種戒煙藥結合到稱為離子通道的定制蛋白上，其中離子通道控制著神經元是否會發送信息。通過將這些蛋白僅置于某些神經元群體中，他們能夠靶向調節特定的神經元，同時保持其他神經元不受影響。他們開發出的這種方法有助于他們解開小鼠和靈長類動物中的大腦回路。有朝一日，它可能導致人們開發出更為針對性的療法來治療癲癇或疼痛等疾病。相關研究結果近期發表在Science期刊上，論文標題為“Ultrapotent chemogenetics for research and potential clinical applications”。論文通訊作者為霍華德休斯醫學研究所的Scott Sternson。
化學遺傳學已存在了大約二十年：科學家設計了一對配對的藥物和受體，用于改變小鼠中的神經元活動。Sternson開發的這種方法中使用的一種可進入大腦中的藥物已被批準用于人體中。它靶向直接影響神經元活動的離子通道蛋白，因此出現副作用的可能性較小。他說，這可能使得它最終用于臨床---這是化學遺傳學工具迄今為止尚未跨越的障礙。
Sternson團隊在挑選出一種降低尼古丁渴望的藥物---伐尼克蘭（varenicline）---之前，已篩選了數十種已獲批準的藥物。他們隨后調整了兩種不同離子通道蛋白的結構，從而使得伐尼克蘭更容易結合上去。當伐尼克蘭結合離子通道蛋白時，一種離子通道蛋白觸發神經元發送信息。當伐尼克蘭存在時，另一種離子通道蛋白阻止神經元發送消息。
Sternson說，“這些是迄今為止描述的最為有效的化學遺傳受體（chemogenetic receptor）。”即便低劑量---遠低于戒煙時使用的水平---的伐尼克蘭也對神經元活動產生很大的影響。（生物谷 Bioon.com）
