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2019年9月Science期刊不得不看的亮点研究

来源:本站原创 2019-09-30 23:59

2019年9月30日讯/生物谷BIOON/---2019年9月份即将结束了,9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:全文解读!开发出CRISPR LiveFISH技术,成功对活细胞中的DNA和RNA进行实时成像
doi:10.1126/science.aax7852


基因组编辑可以诱导包括易位在内的染色体重排。尽管测序方法已用于鉴定和描述与遗传疾病和基因编辑有关的染色体异常,但是染色体重排的时间动态变化鲜为人知。

之前的研究依赖于使用基因组整合的LacO/TetO阵列,这既枯燥又有挑战性。与荧光蛋白融合在一起的没有核酸酶活性的dCas9,或者招募单向导RNA(sgRNA)的与荧光蛋白融合在一起的RNA结合蛋白能够对基因组位点进行CRISPR介导的实时成像。但是,对编码CRISPR组件的DNA的需要限制了它的使用。传统的荧光原位杂交(FISH)需要DNA变性,同时在体外与sgRNA组装在一起的荧光标记dCas9(CASFISH)仅检测固定样本中的基因组位点,这就限制了实时追踪。

在一项新的研究中,来自美国斯坦福大学、卡斯迪加学校和中国浙江大学的研究人员报道了一种称为CRISPR活细胞荧光原位杂交(CRISPR live-cell fluorescent in situ hybridization, CRISPR LiveFISH)的实时成像方法,从而允许研究活细胞中的各种染色体功能。相关研究结果发表在2019年9月20日的Science期刊上,论文标题为“CRISPR-mediated live imaging of genome editing and transcription”。
图片来自Science, 2019, doi:10.1126/science.aax7852。

这些研究人员报道了用于活细胞DNA和RNA成像的CRISPR LiveFISH技术。化学合成的荧光gRNA与dCas蛋白形成的复合物能够促进快速稳健地、可扩展地对细胞(包括原代细胞)中的基因组DNA进行追踪和对细胞中的RNA进行成像。在富含核糖核酸酶的环境中,对Cas9:gRNA:DNA三元复合物中gRNA的靶DNA依赖性保护会富集靶信号,同时让背景噪音最小化。CRISPR LiveFISH也允许对活细胞中内源性基因组位点上发生的CRISPR诱导的基因编辑和易位事件进行动态追踪。使用dCas9和dCas13系统的双DNA/RNA CRISPR LiveFISH能够对相同细胞中的基因组DNA和RNA转录本进行实时成像。人们有可能将CRISPR LiveFISH与其他的基因操纵技术(比如,CRISPRi/a、表观遗传修饰和CRISPR-GO)结合使用来加深对基因组组装和细胞核事件的时空动态变化的理解。

2.Science:首个人类肾脏免疫图谱绘制
doi:10.1126/science.aat5031


根据最近一项研究,科学家通过绘制了将近70,000个来自早期生命和成年个体的肾脏细胞图谱之后,创建了首个人类肾脏免疫系统图谱。这项研究由来自剑桥大学、Wellcome-Sanger研究所的研究人员等机构研究者完成,它首次显示了我们的肾脏免疫系统早在胚胎时期是如何发展,并如何在出生后和成年后逐渐增强的。该结果发表在《Science》杂志上,为理解肾脏免疫系统如何运作打开了大门,对解决多种类型的肾脏疾病和移植排斥反应具有重要意义。

为了了解肾脏的免疫系统,组织损伤或感染发生时会发生什么,如何导致慢性肾脏疾病以及拒绝移植肾的原因,研究人员绘制了第一张肾脏免疫系统图。为了在不同的发育阶段创建肾脏细胞图谱,他们研究了发育,儿童和成人肾脏组织。该团队使用单细胞RNA测序对67471个单个细胞中的基因活性进行了测序,以查明存在的免疫细胞的类型。然后,他们将这些细胞在从生命早期到成年阶段的整个发育过程中,以及在肾脏的解剖空间内作图,以了解肾脏的免疫系统如何发育和成熟。

研究人员发现,发育中的肾脏中最早出现的细胞是巨噬细胞,即吞噬有害细菌和病毒的大型白细胞,随着年龄的增长,它们仍保留在肾脏中。发育中的肾脏中几乎没有活性免疫细胞,这与认为发育中的婴儿相对无菌并且仅在出生时和出生后会遇到细菌的观点一致,这促使免疫系统随着我们的成长而发展。

3.
doi:10.1126/science.aax4468


病毒感染可以调节宿主细胞的代谢,从而影响病毒的存活或清除。RNA修饰,特别是最为常见的哺乳动物mRNA修饰---N6-甲基腺苷(m6A)---能够调节基因表达和病毒感染。比如,m6A甲基转移酶复合物组分METTL3/14限制寨卡病毒产生,而m6A去甲基酶ALKBH5和FTO增强这种病毒的产生。在病毒和宿主之间的相互作用中,由m6A修饰介导的细胞代谢重编程尚不清楚。

在一项新的研究中,为了探究mRNA修饰m6A在宿主对病毒感染作出的反应中的作用,来自中国北京协和医学院、南开大学、西湖大学、中国医学科学院基础医学研究所和第二军医大学的研究人员检测了受病毒感染的宿主细胞中的m6A水平。在小鼠原代腹膜巨噬细胞遭受RNA病毒VSV(vesicular stomatitis virus, 水疱性口炎病毒)感染期间,总RNA中的m6A水平先开始升高,随后下降,并且伴随着病毒载量的上升和随后下降。他们接着对m6A甲基转移酶复合物(METTL3、METTL14和WTAP)和m6A去甲基酶(ALKBH5和FTO)进行了RNAi介导的功能性筛选,结果发现敲低ALKBH5最大程度地降低VSV RNA水平,随后利用4种独立的siRNA对这一点进行了验证。当遭受表达重组GFP(绿色荧光蛋白)的VSV病毒(下称GFP-VSV)感染时,小鼠巨噬细胞系RAW264.7中通过CRISPR-Cas9实现的ALKBH5敲除也降低了细胞内病毒的产生。相关研究结果发表在2019年9月13日的Science期刊上,论文标题为“N6-methyladenosine RNA modification–mediated cellular metabolism rewiring inhibits viral replication”。论文通讯作者为曹雪涛(Xuetao Cao)院士。
宿主细胞破坏ALKBH5介导的RNA m6A去甲基化来抑制病毒复制。图片来自Science, 2019, doi:10.1126/science.aax4468。

他们证实在遭受病毒感染后,9个主要的代谢相关基因在缺乏ALKBH5的巨噬细胞中显著下调或上调。在这些基因中,基因OGDH(编码α-酮戊二酸脱氢酶)是最显著下调的基因。ALKBH5缺乏或病毒抑制都可显著下调OGDH表达。在不同类型的RNA病毒或DNA病毒感染后,OGDH表达也受到下调,但是对TLR配体刺激作出的反应中,仍然保持不变。再者,人们之前已报道,在遭受人类大流行性病毒感染后,OGDH表达受到抑制。对这9个代谢相关基因进行功能性筛选表明OGDH敲降最为强有力地抑制病毒复制,并且伴随着下降的IFN-β表达和对ALKBH5缺乏的表型模拟。除了Scgb1a1敲降抑制病毒复制的效力不如OGDH敲降之外,敲降其他的代谢基因不会产生这样的抑制效果。其他未参与三羧酸循环(TCA cycle)的候选基因并没有与这种过程中的OGDH发生交叉调节。此外,在人THP-1细胞中,OGDH敲降降低病毒复制和IFN-I表达。因此,抑制代谢酶OGDH表达是宿主细胞中抑制病毒机制的一个通用机制。

靶向代谢组学分析表明OGDH沉默改变了受到病毒感染的巨噬细胞中的几种重要的代谢中间产物的水平。水平下降的代谢中间产物之一是已知可以促进病毒复制的天冬氨酸,这与之前报道的OGDH沉默会耗尽天冬氨酸相一致。衣康酸(itaconate)是病毒感染后OGDH受到沉默的巨噬细胞中最显著下调的代谢中间产物之一。衣康酸由作为TCA循环的中间产物之一的顺-乌头酸(cis-aconitate)转化而来,它在OGDH受到沉默的巨噬细胞中的水平也下降了。作为脂多糖处理的巨噬细胞中的最丰富的代谢产物,衣康酸通过调节线粒体呼吸作用和代谢重塑或者通过KEAP1烷基化激活Nrf2而发挥着抗炎作用。然而,衣康酸在调节病毒复制中的作用仍然未知。利用细胞渗透性的衣康酸衍生物衣康酸二甲酯(dimethyl itaconate, DMI)处理缺乏ALKBH5的巨噬细胞可以剂量依赖性地拯救病毒复制。另一种细胞渗透性的衣康酸衍生物衣康酸4-辛基酯(4-octyl itaconate)强效地拯救了病毒复制。衣康酸4-辛基酯也在OGDH受到沉默的巨噬细胞中拯救了病毒复制,并以剂量依赖性的方式促进病毒复制。

终上所述,在这项新的研究中,这些研究人员阐明了宿主细胞通过削弱ALKBH5的去甲基化活性积极地对病毒感染作出反应,这会导致增加的OGDH mRNA衰减和下降的OGDH蛋白表达,从而对细胞代谢状态进行重编程而使得宿主对病毒感染产生不依赖于IFN-I的抵抗力。下降的OGDH表达限制了三羧酸循环并减少病毒复制所需的衣康酸的产生,因而限制了宿主细胞中的病毒感染。他们认为m6A RNA修饰和代谢重编程之间通过ALKBH5-OGDH-衣康酸途径进行的交谈对细胞通过与先天反应无关的代谢重编程抵御入侵的病原体提供了机制上的新见解。鉴定宿主-病毒相互作用中的细胞代谢物有助于更好地理解病毒感染过程,并有助于确定潜在靶标以便进行干预。这项新的研究表明OGDH和衣康酸以一种不依赖于先天免疫反应的方式促进病毒复制,并提出通过靶向OGDH-衣康酸代谢反应来控制病毒感染性疾病。

4.Science:成功构建秀丽隐杆线虫发育的分子图谱
doi:10.1126/science.aax1971


在一项新的研究中,来自美国宾夕法尼亚大学等研究机构的研究人员首次详细描述了动物胚胎发育过程中每个细胞是如何变化的。他们使用了新兴的单细胞生物学领域的最新技术来分析秀丽隐杆线虫胚胎中的细胞。相关研究结果于2019年9月5日在线发表在Science期刊上,论文标题为“A lineage-resolved molecular atlas of C. elegans embryogenesis at single-cell resolution”。论文通讯作者为宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院的John I. Murray、宾夕法尼亚大学文理学院的Junhyong Kim和华盛顿大学的Robert Waterston。

Murray说,“在过去几年,新的单细胞基因组学方法彻底改变了对动物发育的研究。我们的研究利用了这样一个事实:秀丽隐杆线虫胚胎具有非常少量的细胞,而且这些细胞由已知的完全可重复的细胞分裂模式产生。通过使用单细胞基因组学方法,我们能够在从原肠胚形成(当存在约50个细胞时)到胚胎发生结束这个过程中识别87%以上的胚胎细胞。”

5.
doi:10.1126/science.aaw0542; doi:10.1126/science.aay3157


在一项新的研究中,来自美国加州大学圣地亚哥分校的研究人员开发了一种方法,可以显著延长用于引导微生物发挥功能---比如产生和运送药物、分解化学物和充当环境传感器---的基因回路(gene circuit)的寿命。相关研究结果发表在2019年9月6日的Science期刊上,论文标题为“Rock-paper-scissors: Engineered population dynamics increase genetic stability”。

由于各种突变,合成生物学家插入到微生物中的大多数基因回路在一段时间后(通常是几天到几周)完全从微生物中停止或消失。但是,这些研究人员证实,他们能让基因回路保持更长时间。

这种方法的关键是这些研究人员能够完全用另一个携带基因回路的大肠杆菌亚群替换一个携带基因回路的大肠杆菌亚群,从而在保持基因回路运行的同时重置突变时钟。

论文通讯作者、加州大学圣地亚哥分校生物工程与生物学教授Jeff Hasty说,“我们证实我们可以在不参与对抗进化的情况下稳定基因回路。一旦我们停止在单个细胞水平上对抗进化,我们就会发现我们能够让代谢昂贵的基因回路运行我们想要的时间。”

6.
doi:10.1126/science.aav6695


2016年,来自美国国家过敏症和传染病研究所及埃默里大学的一个研究小组通过研究发现在ART治疗期间及之后,将一种抗体添加到ART治疗之中就能够持续控制恒河猴体内SIV病毒的感染状态。这种抗体能够靶向结合α4β7整联蛋白。持续的病毒感染控制就意味着,当抗 逆转录病毒药物停止后,病毒并不会重新反弹并且引发疾病,文章中研究者发现,SIV始终存在于接受α4β7抗体治疗的恒河猴中,然而其在血液中的水平低于检测下限,而且这种状态能够维持到ART治疗停止9个月后。
图片来自The Wistar Institute。

在一项新的研究中,来自美国国家过敏与感染性疾病研究所(NIAID)和弗雷德里克国家实验室的研究人员试图复制2016年那项研究的结果。相关研究结果发表在2019年9月6日的Science期刊上,论文标题为“Evaluation of an antibody to α4β7 in the control of SIVmac239-nef-stop infection”。

这些研究人员让22只恒河猴感染相同的SIV病毒,在感染5周周,它们接受相同的ART(逆转录酶抑制剂替诺福韦和恩曲他滨,以及整合酶链转移抑制剂L-870812)治疗,为期13周,在第9周时,其中的12只恒河猴接受灵长类动物化的α4β7抗体静脉注射(作为治疗组), 剩下10只的恒河猴接受抗体类别匹配的对照单抗(mAb)静脉注射(作为对照组),每组中的恒河猴总共接受8次静脉注射,每三周注射一次。在第18周时,每组中的恒河猴停止ART治疗,α4β7抗体或对照单抗静脉注射持续到第30周。在治疗组中,1只恒河猴产生针对α4 β7抗体的抗体,血清中具有较低的α4β7抗体水平,因此这只恒河猴被排除。

对2016年那项研究中使用的SIV病毒进行了测序,这些研究人员发现它并不是野生型SIVmac239,而且是一种nef基因出现终止密码子的SIV变体(SIVmac239-nef-stop)。

这些研究人员发现在静脉注射两周后,毒性减弱的SIVmac239-nef-stop经修复后变成致病性的SIVmac239-nef-open(即nef基因的终止密码子经修复后不再出现终止密码子,这意味着nef基因可以表达)的频率与血浆SIV水平呈正相关。

在第18停止ART治疗后,这些研究人员并未观察到血浆病毒血症水平、外周血CD4+ T细胞数量、外周血CD8+ T细胞数量、B细胞数量和增殖性细胞在α4β7抗体治疗组和对照组之间存在显著差异。类似地,在淋巴结和直肠活组织中的SIV DNA和SIV RNA水平在α4β7抗体治 疗组和对照组之间也是类似的。这就表明在停用ART治疗之后,α4β7抗体对受感染的恒河猴体内的病毒控制没有任何影响。

7.
doi:10.1126/science.aaw8562


2016年,来自美国国家过敏症和传染病研究所及埃默里大学的一个研究小组通过研究发现在ART治疗期间及之后,将一种抗体添加到ART治疗之中就能够持续控制恒河猴体内SIV病毒的感染状态。这种抗体能够靶向结合α4β7整联蛋白。持续的病毒感染控制就意味着,当抗 逆转录病毒药物停止后,病毒并不会重新反弹并且引发疾病,文章中研究者发现,SIV始终存在于接受α4β7抗体治疗的恒河猴中,然而其在血液中的水平低于检测下限,而且这种状态能够维持到ART治疗停止9个月后。

在一项新的研究中,来自美国哈佛医学院、马萨诸塞大学医学院和弗雷德里克国家实验室等研究机构的研究人员试图复制2016年那项研究的结果。相关研究结果发表在2019年9月6日的Science期刊上,论文标题为“Lack of therapeutic efficacy of an antibody to α4β7 in SIVmac251-infected rhesus macaques”。

这些研究人员在50只感染上野生型致病性SIVmac251的恒河猴中开展了类似的研究。他们发现在ART停用之后,不论是在急性感染期间,还是在慢性感染期间,α4β7抗体注射并不会对病毒库或病毒反弹产生可检测到的影响。这些数据证实α4β7抗体注射在恒河猴的致病性SIVmac251感染模型中并不会提供治疗功效。

8.
doi:10.1126/science.aaw7765


2016年,来自美国国家过敏症和传染病研究所及埃默里大学的一个研究小组通过研究发现在ART治疗期间及之后,将一种抗体添加到ART治疗之中就能够持续控制恒河猴体内SIV病毒的感染状态。这种抗体能够靶向结合α4β7整联蛋白。持续的病毒感染控制就意味着,当抗 逆转录病毒药物停止后,病毒并不会重新反弹并且引发疾病,文章中研究者发现,SIV始终存在于接受α4β7抗体治疗的恒河猴中,然而其在血液中的水平低于检测下限,而且这种状态能够维持到ART治疗停止9个月后。

在一项新的研究中,来自美国国家过敏与感染性疾病研究所(NIAID)和弗雷德里克国家实验室研究机构的研究人员鉴于2016年那项研究中使用的α4β7抗体具有多效性,着手通过比较α4β7抗体治疗和非中和性单抗治疗来深入了解α4β7抗体治疗的作用机制,其中所使用的非中和性单抗特异性靶向SIV包膜蛋白,仅阻断α4β7与SIV Env结合,但不会给宿主产生其他的影响。相关研究结果发表在2019年9月6日的Science期刊上,论文标题为“Blocking α4β7 integrin binding to SIV does not improve virologic control”。

这些研究人员使用了2016年那项研究中使用的SIVmac239-nef-stop(它是SIVmac239的一种毒性减弱的毒株,在nef基因上出现终止密码子,因而nef基因不会表达)。他们使用了30只恒河猴。它们都开始接受ART治疗,随后被分化为5组以接受不同的抗体治疗。与2016年那项研究报道的结果不同的是,他们并未在这些恒河猴的体内发现这些抗体治疗实现了持续的病毒控制。

9.
doi:10.1126/science.aax2685


越来越多的证据表明,某些类型的细菌能够导致结直肠癌,这表明其中一部分癌症可能是传染病的结果。但是,由于"好"细菌和"坏"细菌的复杂微生物混合物,了解细菌在人体肠道微生物(我们的微生物群落)是如何相互作用的一直是个挑战。

十多年前,法国科学家在大肠杆菌的某些菌株中发现了一种"基因毒素(即大肠菌素)"途径,这种细菌通常存在于90%的人类体内,对DNA具有毒性,会引起肿肿瘤和小鼠结直肠癌。虽然并非大肠杆菌的所有菌株中都存在大肠菌素(colibactin)通路,但产大肠菌素的菌株被认为是人类结直肠癌的流行病学危险因素。直到最近,关于这一途径如何破坏DNA从而导致结直肠癌的重要问题仍然存在,最终阻碍了未来治疗方法的发展。

"我们发现,某些大肠杆菌产生的特定分子与我们的DNA交联在一起,从而有效地将其锁定在一起,"化学和微生物发病机制副教授Jason Crawford说道。

通过耶鲁大学化学生物学研究所Crawford实验室和化学教授Seth Herzon实验室之间的合作,科学家们首次破解了这种交联物的结构。

Herzon说:"在过去十年的细胞研究基础上,在原子分辨率下确定导致结直肠癌的原因,最终使我们更接近于开发出有效治疗和消除这一风险因素的策略。"

10.Science:基因组图谱揭示多种免疫细胞参与多发性硬化的发生
doi:10.1126/science.aav7188; doi:10.1126/science.aay1439


根据最近在《Science》杂志上发表的最新研究结果,研究者们找到了多发性硬化的新型致病机制。在一项对115,803名个体的研究中,作者确定了人类基因组中233个位点,这些位点与MS的发病有关。该研究是迄今为止在MS领域中最大规模的,它基于47,429名MS患者和68,374名健康个体的DNA样本。研究结果证实此前的结论,并为多发性硬化发病的分子机制提供了丰富的新见解:似乎外周血和脑中许多不同免疫细胞类型的功能障碍导致一系列免疫反应的发生,最终导致脑部炎症和神经变性。

该研究的主要研究人员Philip De Jager博士是纽约市哥伦比亚大学欧文医学中心多发性硬化症中心以及转化与计算神经免疫学中心的负责人,他认为:“该研究表明这一疾病并非由单一免疫细胞类型引起,而是由免疫系统广泛功能障碍引起的。”在此之前,研究者们发现骨髓、血液中的免疫细胞对于多发性硬化的发生起着至关重要的作用。此外,小胶质细胞,即人类大脑中的免疫细胞,也被认为与疾病的发生有关。但是,几乎没有证据表明其他大脑细胞(例如大脑中的神经元)与多发性硬化之间的关系。

另一参与该研究的研究者,来自哈佛大学的Nikolaos Patsopoulos博士说:“我们的研究解释了多发性硬化的大约一半遗传特征。这项研究通过鉴定基因组中具有多个遗传变异的几个区域,突显了遗传对导致多发性硬化发生的复杂本质。此外,我们首次报道了X染色体上遗传变异与疾病的相关性。然而,要完全理解人类基因组如何参与MS,还有许多工作要做。”(生物谷 Bioon.com)

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