2018年9月28日Science期刊精華

　　本周又有一期新的Science期刊（2018年9月28日）發布，它有哪些精彩研究呢？讓小編一一道來。

　　1.Science：重大進展！鑒定出有害藻花產生強效神經毒素軟骨藻酸的基因簇

　　doi:10.1126/science.aau0382; doi:10.1126/science.aau9067

　　在一項新的持續了5年的研究中，來自美國加州大學圣地亞哥分校、克雷格文特爾研究所（J. Craig Venter Institute, JCVI）、莫斯蘭丁海洋實驗室、南加州大學、加拿大達爾豪斯大學和捷克南波西米亞大學的研究人員發現了產生軟骨藻酸（domoic acid）的遺傳基礎 ，其中軟骨藻酸是一種由有害藻類大量繁殖產生的強效神經毒素。相關研究結果發表在2018年9月28日的Science期刊上，論文標題為“Biosynthesis of the neurotoxin domoic acid in a bloom-forming diatom”。

　　有害的藻類大量繁殖（algal bloom, 也稱有害藻類水華，有害藻華）會對世界各地的沿海地區造成重大的經濟和環境破壞。這些藻華偶爾產生的毒素能夠讓海洋哺乳動物患病，并且當這些毒素在海鮮中聚集時會危機人體健康。接觸高劑量的軟骨藻酸---由一種屬于擬菱 形藻（Pseudo-nitzschia）的硅藻類浮游植物產生---可導致記憶喪失性貝類中毒，這是一種以癲癇發作和短期記憶喪失為特征的潛在致命性疾病。

　　在這項新的研究中，這些研究人員鑒定出海洋浮游植物擬菱形藻中的與軟骨藻酸產生相關的一個基因簇。

　　在Allen實驗室開展研究工作的JCVI研究人員從這種微藻中提取出RNA轉錄本并進行測序，這種方法能夠測量有活性的基因。隨后對由RNA轉錄物編碼的遺傳序列的分析鑒定出據推測產生這種毒素的基因。在Moore實驗室中開展的體外生物化學實驗隨后確定了一系列產生這 種毒素核心結構的酶。

　　論文共同第一作者、克里普斯海洋學研究所海洋生物技術與生物醫學中心博士后研究員Shaun McKinnie說，“合成軟骨藻酸的一些生物合成酶在遺傳水平和生化水平上是獨一無二的。鑒于我們能夠將這些診斷性的化學轉換與它們的酶和基因相關聯在一起，我們希望科學 家們能夠開始預測有害藻華中的軟骨藻酸毒性潛力，從而作為當前的監測方法的補充。”

　　2.Science：重磅！鑒定出一種導致休眠的癌細胞重新喚醒和轉移的新途徑

　　doi:10.1126/science.aao4227; doi:10.1126/science.aav0191

　　在一項新的研究中，來自美國冷泉港實驗室（CSHL）的研究人員確定了緩解中的癌癥反彈回來的途徑之一。這些知識促進了一種旨在阻止癌癥復發和轉移的新型治療理念。即使在成功的癌癥治療之后，之前從原始腫瘤中脫離下來的休眠的非分裂癌細胞可能仍然存在于身 體的其他地方。如果被喚醒，這些癌細胞能夠增殖并生長成轉移性腫瘤。這些研究肺轉移的研究人員如今鑒定出伴隨著炎癥的能夠喚醒休眠的癌細胞的信號。相關研究結果發表在2018年9月28日的Science期刊上，論文標題為“Neutrophil extracellular traps produced during inflammation awaken dormant cancer cells in mice”。

　　炎癥是否能夠直接導致癌癥復發，如果確實如此的話，人們仍然不清楚它是如何導致的。在這項新的研究中，這些研究人員證實持續的肺部炎癥，包括由煙草煙霧暴露引起的炎癥，能夠喚醒已擴散到肺部的休眠的乳腺癌細胞和前列腺癌細胞并讓它們開始發生分裂。這些 癌細胞如今能夠在肺部中形成轉移性腫瘤。對大多數常見的癌癥而言，腫瘤轉移導致大部分的癌癥死亡病例。

　　冷泉港實驗室副教授Mikala Egeblad及其團隊證實通過將小鼠暴露于煙草煙霧中或一種被稱為內毒素的細菌成分引起的持續性肺部炎癥誘發常見的被稱作中性粒細胞的白細胞以一種特殊的方式喚醒附近的休眠的癌細胞。

　　我們通常依靠殺死細菌和酵母等入侵者的中性粒細胞有幾種方法來消滅這些入侵者。一種方法是將它們的DNA排出細胞膜外面的空間。這種被排出的DNA裝飾著毒性的酶，并形成一種薄薄的被稱作中性粒細胞胞外陷阱（neutrophil extracellular trap, NET）的網狀陷阱 ，從而能夠殺死病原體。

　　這項新的研究表明持續性的肺部炎癥導致休眠的癌細胞周圍的區域形成NET。NET中的兩種酶---中性粒細胞彈性蛋白酶（neutrophil elastase, NE）和基質金屬蛋白酶9（matrix metalloproteinase 9, MMP9）---與組織中的一種被稱為層粘連蛋白（laminin）的蛋白相互 作用。先是NE，隨后是MMP9依次地切割層粘連蛋白。這改變了這種蛋白的形狀，從而暴露出一種被稱為表位（epitope）的新表面。

　　當被附近的休眠的癌細胞識別時，這種表位觸發喚醒這些癌細胞的信號產生。Egeblad說，“這些休眠的癌細胞識別層粘連蛋白的新形狀，它們說，'我們應當再次開始生長'。”

　　Egeblad團隊構建出一種抗體來阻斷這種在層粘連蛋白上暴露出來的表位。在小鼠中，這阻止了附近的休眠癌細胞重新喚醒。已開始優化這種抗體并將它與其他的干擾NET的方法進行比較。他們希望最終在人體中開展臨床試驗。

　　3.Science：重大發現！參與人細胞中基因調節的DNA甲基化也可是數字化的和隨機的

　　doi:10.1126/science.aar3146

　　我們體內的每個細胞都有相同的基因組（genome），并且有潛力變成任何類型的細胞。在發育期間，表觀基因組（epigenome）介導讓細胞成為皮膚細胞或神經元的過程。如果基因組是計算機硬件的話，那么表觀基因組就是將某些基因開啟而讓其他基因關閉來讓細胞成為 皮膚細胞或者開啟或關閉其他基因來讓細胞成為神經元的軟件。

　　表觀基因組在很大程度上被編碼為一組細胞類型特異性的被稱作DNA甲基化的DNA化學修飾。在一項新的研究中，來自美國國家衛生研究院路線圖表觀基因組學項目（National Institutes of Health Roadmap Epigenomics Project）的研究人員發現參與基因調節的DNA甲 基化在很大程度上是數字化的和隨機的，而且每個細胞中的母本和父本基因拷貝在某個時間段內是開啟或關閉的。相關研究結果于2018年8月23日在線發表在Science期刊上，論文標題為“Allele-specific epigenome maps reveal sequence-dependent stochastic switching at regulatory loci”。

　　論文通信作者、美國貝勒醫學院計算與綜合生物醫學研究中心聯合主任Aleksandar Milosavljevic博士說，“我們想要更好地理解一種被稱作序列依賴性等位基因特異性甲基化（sequence-dependent, allele-specific methylation, SD-ASM）的細胞基因調節機制。我們 使用了一種被稱作全基因組亞硫酸氫鹽測序（whole-genome bisulfite sequencing, WGBS）的方法，它允許我們在多種人類細胞類型中在單分子分辨率下觀察基因調節。我們能夠確定在單個細胞的父本和母本染色體中的同一基因的表觀基因組差異。我們能夠觀察到之前 無法觀察到的東西。”

　　利用這種高分辨率方法，Milosavljevic及其同事們發現SD-ASM介導的基因調節以類似于家用恒溫器的方式發揮作用，但是也具有獨特的特征。恒溫器具有一個預先設置好的溫度值（比如23.3攝氏度），在這個溫度下，空調機將會開啟。當溫度低于這個預設值時，空調機 將會關閉。這個過程是數字化的，這意味著空調機開啟或關閉，不存在中間的活動狀態。這些研究人員發現，像家用恒溫器一樣，這種基因調節機制也是數字化的;它會在一小部分時間內開啟或關閉基因，不存在中間的活動狀態。

　　Milosavljevic說，“我們還發現這種基因調節過程是隨機的。再次以恒溫器進行比較，在常規的恒溫器中，當溫度達到預設的23.3攝氏度時，空調機開啟的概率是100％。另一方面，在隨機的恒溫器中，空調機開啟的概率會隨著溫度達到23.3攝氏度時增加，但是一旦達 到23.3攝氏度，空調機開啟的概率不會是100％。在23.3攝氏度時，空調機有可能不會開啟，但隨著溫度的升高，空調機開啟的概率會變得更高。”

　　4.Science：重大進展！利用sci-CAR方法同時分析上千個細胞中的轉錄組和染色質可接近性

　　doi:10.1126/science.aau0730

　　不同細胞類型的基因組可能是相同的，但是它們的表觀基因組和轉錄組不是相同的。表觀基因組由一組影響每個細胞的基因組發揮何種功能的標記組成，而轉錄組指的是在某一特定條件下，細胞內所有轉錄產物的集合。轉錄產物經翻譯后會產生蛋白。

　　在RNA轉錄過程中，細胞僅能夠接近它們的染色質包裝的雙鏈基因組的某些部分。鑒于這種接近在不同細胞類型之間存在著變化，因此染色質可接近性有助于確定多細胞生物體中多種細胞的形狀、功能和多樣性。

　　在一項新的研究中，來自美國華盛頓大學等研究機構的研究人員開發出一種同時分析數千個細胞中每個細胞的表觀基因組和轉錄組的方法。他們將這種方法稱為sci-CAR。相關研究結果于2018年8月30日在線發表在Science期刊上，論文標題為“Joint profiling of chromatin accessibility and gene expression in thousands of single cells”。

　　細胞或細胞核中的核酸內含物的獨特條形碼被整合著到sci-CAR中。這種對細胞進行標記和分選的方法允許這些研究人員將單個細胞中的mRNA和染色質可接近性譜相關聯在一起。

　　基于表觀基因組和轉錄組之間存在的相關性，這些研究人員還了解到他們能夠在距離較遠的基因組調控元件和它們的靶基因之間建立關聯性，以便解釋各種細胞類型中基因表達的一些差異。

　　5.Science：重大進展！在DNA復制期間，蛋白MCM2促進組蛋白中的表觀遺傳信息在兩條新的DNA鏈中均勻分布

　　doi:10.1126/science.aau0294; doi:10.1126/science.aav0871

　　在人細胞內，我們的DNA被組蛋白包裹著。它們一起形成一種稱為染色質的結構。當細胞發生分裂時，DNA和整個染色質結構都被準確地復制是至關重要的。染色質儲存著影響哪些基因表達的表觀遺傳信息。這就是說，我們細胞中的表觀遺傳信息有助于控制哪些基因“開 啟”和“關閉”。

　　如今，在一項新的研究中，來自丹麥哥本哈根大學的研究人員開發出一種被稱作SCAR-seq的新技術，這使得他們解決了儲存在組蛋白中的表觀遺傳信息在DNA復制和細胞發生分裂時是如何傳遞的問題，并且成功地鑒定出一種當細胞發生分裂時負責細胞記憶傳遞的蛋白，即 MCM2。相關研究結果于2018年8月16日在線發表在Science期刊上，論文標題為“MCM2 promotes symmetric inheritance of modified histones during DNA replication”。論文通信作者為哥本哈根大學的Robin Andersson和Anja Groth。

　　在這項新的研究中，這些研究人員研究了來自小鼠的胚胎干細胞。利用SCAR-seq，他們鑒定出蛋白MCM2負責在DNA復制期間將來自舊的DNA鏈的組蛋白轉移到產生的兩個新的DNA鏈上。

　　在DNA復制期間，經過化學修飾的組蛋白的轉移是否是完全隨機的是一個仍然未解決的問題。在這項新的研究中，這些研究人員發現它不是隨機的，而是一個高度控制的過程。他們證實組蛋白偏好一條DNA鏈，即所謂的前導鏈（leading strand），但是MCM2會抵消這種偏 好，并確保兩條新的DNA鏈之間幾乎是對稱的，這就是基于組蛋白的信息是均勻分布的。

　　當這些研究人員破壞這種機制時，所有基于組蛋白的信息都被轉移到一條DNA鏈（即前導鏈），而不是另一條鏈，即后隨鏈（lagging strand）。這意味著MCM2的這種功能對兩條新的DNA鏈接受存儲在組蛋白中的相同信息是所必需的。

　　6.Science：評估多氯聯苯對虎鯨種群的不利影響

　　doi:10.1126/science.aat1953

　　在被認為具有高毒性和致癌性之前，多氯聯苯（polychlorinated biphenyl, PCB）曾被廣泛使用。 它們的生產在1978年在美國被禁止，不過它們仍然在全球生產并且在環境中持續存在。 諸如PCB之類的持續存在的有機化合物所產生的影響會在營養水平（trophic level）上放大，因此頂級捕食者特別容易受到它們的不良影響。Desforges等人研究了PCB對最大的海洋捕食者之一---虎鯨---的持續影響。利用全球可獲得的數據，這些作者發現了虎鯨組織中存在著高濃度的PCB。這可能導致虎鯨種群數量下降，特別是那些以高營養水平進食并且最接近工業化地區的虎鯨種群。

　　7.Science：軸向Hox基因控制海葵中的組織分割和形體發育模式

　　doi:10.1126/science.aar8384; doi:10.1126/science.aav0692

　　Hox基因編碼保守的轉錄因子，這些轉錄因子在控制多種兩側對稱動物（bilaterian animal）的前后身體模式中的作用最為人所知。He等人組合使用CRISPR誘變和基于短發夾RNA的基因敲降（gene knockdown）來研究刺胞動物海葵（Nematostella vectensis）中的Hox基因功能。4個含有同源異型盒（homeobox）的基因構成一種分子網絡，用于協調地控制徑向內胚層節段的形態發生和觸須的發育模式。因此，一種古老的Hox代碼可能經進化后調節這種兩側對稱刺胞動物（bilaterian-cnidarian）的共同祖先中的組織分割和形體發育模式。

　　8.Science：揭示在DNA復制時細胞確保組蛋白均勻分配到DNA鏈上的機制

　　doi:10.1126/science.aat8849; doi:10.1126/science.aav0871

　　親本組蛋白(H3-H4)2四聚體（表觀遺傳修飾的主要載體）如何轉移到DNA復制叉的前導鏈和滯后鏈上從而進行表觀遺傳仍然是難以捉摸的。Yu等人證實親本組蛋白(H3-H4)2四聚體組裝成核小體到前導鏈和滯后鏈上，略微偏好于滯后鏈。在缺乏Dpb3和Dpb4的芽殖酵母細胞中，由于親本組蛋白(H3-H4)2四聚體轉移至前導鏈受到破壞，這種滯后鏈偏好性顯著增加，其中Dpb3和Dpb4是前導鏈DNA聚合酶Polε的兩個亞基。Dpb3-Dpb4在體外結合H3-H4并參與異染色質的遺傳。這些結果表明不同的蛋白促進親本組蛋白(H3-H4)2四聚體轉移到前導鏈和滯后鏈上，并且Dbp3-Dpb4在這個知之甚少的過程中發揮著重要作用。