2018年12月Science期刊不得不看的亮點研究

　　12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：CRISPRa加入肥胖之戰，無需對基因組進行編輯就能對抗肥胖doi:10.1126/science.aau0629

　　在一項重要的新研究中，來自美國加州大學舊金山分校的研究人員證實CRISPR療法可以在不切割DNA的情況下減少體內的脂肪。

　　他們利用一種經過修飾的CRISPR版本提高某些基因的活性，從而阻止攜帶著導致極端體重增加易于發生的基因突變的小鼠出現重度肥胖。

　　重要的是，他們實現了持久的體重控制，而無需對小鼠基因組進行一次基因編輯。

　　相關研究結果于2018年12月13日在線發表在Science期刊上，論文標題為“CRISPR-mediated activation of a promoter or enhancer rescues obesity caused by haploinsufficiency”。

CRISPRa示意圖，圖片來自ACS Chem Biol. 2018 Feb 16；13(2):406-416。

　　基因SIM1或MC4R---兩個在調節饑餓和飽腹感中起著至關重要作用的基因---的單個拷貝發生突變在重度肥胖患者中是經常觀察到的。當這些基因的兩個拷貝都起作用時，人們通常能夠控制他們的食物攝入。

　　但是基因突變能夠讓其中的一個拷貝失去功能，這迫使人體完全依賴于單個正常的基因拷貝，然而這個正常的基因拷貝本身無法足夠地發出飽食信號，這就使得受到影響的個人具有無休止的食欲。

　　結果就是他們無法控制他們的食物攝入并最終導致重度肥胖。但是，CRISPR技術取得的最新進展可能提供一種治療方案。

　　在這項新的研究中所涉及的這種技術是一種稱為CRISPR介導激活（CRISPR-mediated activation, CRISPRa）的技術。

　　它是由加州大學舊金山分校細胞與分子藥理學教授Jonathan Weissman博士及其團隊開發出來的，它與常規CRISPR的不同之處在于它不會對宿主基因組進行切割。

　　它保持了常規CRISPR的引導系統，這種引導系統經編程后能夠靶向特定的DNA序列，但是將與一串短肽（即SunTag array）融合在一起的沒有切割活性的Cas9（dCas9）替換常規CRISPR中的有切割活性的Cas9。

　　當CRISPRa找到其靶DNA序列時，這一串短肽能夠在細胞中招募轉錄激活因子，從而促進特定基因表達，但是沒有發生基因編輯。

　　接受CRISPRa治療的小鼠在體重上要比未治療的小鼠減輕30％至40％。這種效果也是持久性的。這些研究人員對這些小鼠進行了10個月的監測---這是小鼠正常壽命的一小部分---并且發現那些接受CRISPRa單次治療的小鼠在監測期間保持了健康的體重。

　　2.Science：重大進展！揭示DNA甲基化增強基因轉錄機制

　　doi:10.1126/science.aar7854

　　DNA甲基化通常抑制基因轉錄，但是在某些情況下，它也激活基因轉錄。無論是哪種情形，DNA甲基化的下游因子仍然在很大程度上是未知的。

　　在一項新的研究中，來自美國、中國和德國的研究人員通過使用比較相互作用組學（comparative interactomics）方法，在擬南芥中分離出與發生甲基化的DNA相結合的蛋白。兩種SU(VAR)3-9同源蛋白--轉錄抗沉默因子SUVH1和SUVH3---是潛在的甲基化讀取蛋白（methylation reader）。

　　SUVH1和SUVH3在體外結合發生甲基化的DNA，在體內與常染色體甲基化存在關聯，而且與兩個含DNAJ結構域的同源蛋白DNAJ1和DNAJ2結合在一起形成一種復合物。DNAJ1的異位招募會增強植物、酵母和哺乳動物中的基因轉錄。

　　因此，蛋白SUVH1和SUVH3結合到發生甲基化的DNA上，并招募DNAJ1和DNAJ2來增強鄰近的基因表達，從而抵消轉座子插入到基因附近產生的抑制作用。這表明通過平衡抑制轉錄的作用和激活轉錄的作用，DNA甲基化能夠發揮著微調基因表達的作用。

　　3. Science：重大進展！揭示功能多樣化的V型CRISPR-Cas系統

　　doi:10.1126/science.aav7271

　　在一項新的研究中，來自美國Arbor生物技術公司（Arbor Biotechnologies）的研究人員鑒定出Cas12蛋白的其他成員：Cas12c、Cas12g、Cas12h和Cas12i展現出RNA引導的雙鏈DNA（dsDNA）干擾活性。Cas12i對crRNA間隔序列的互補鏈和非互補鏈表現出顯著不同的切割效率，從而主要導致dsDNA切口。作為一種核糖核酸酶（RNase），Cas12g表現出RNA指導的靶向切割RNA活性，此外還附帶具有非特異性地反式切割單鏈DNA（ssDNA）的活性。

　　這項研究揭示出V型CRISPR-Cas的不同進化途徑中出現多能多樣性，這會擴展CRISPR工具箱。

　　4. Science：揭示巨噬細胞自我犧牲保護我們免受細菌入侵機制

　　doi:10.1126/science.aau2818

　　挪威科技大學分子炎癥研究中心的Egil Lien教授選擇專注于一種非常有害的稱為鼠疫耶爾森菌（Yersinia pestis）的細菌，它是黑死病爆發背后的罪魁禍首。是的，這種細菌在十四世紀殺死了歐洲三分之一的人口。鑒于這種細菌是一種非常具有欺騙性的細菌，Lien特別指出他將終生研究它。鼠疫耶爾森菌操縱人體免疫系統，從中隱藏起來，而且還會殺死人體免疫系統中使用的細胞。

圖片來自Wikipedia。

　　如今，Lien、博士生Pontus ?rning和其他的研究同事們針對當耶爾森菌和沙門氏菌等細菌處于活躍最高峰時人體會發生什么取得新的發現。這種信息是比較重要的，這不僅是因為耶爾森菌仍然存在著以及抗生素耐藥性是一個日益嚴重的問題，而且還是因為這種新的知識可能被用來研究其他的疾病。這種知識可能也被用來開發更有效的藥物。

　　相關研究結果發表在2018年11月30日的Science期刊上，論文標題為“Pathogen blockade of TAK1 triggers caspase-8–dependent cleavage of gasdermin D and cell death”。

　　這些研究人員報道巨噬細胞實際上會自我爆裂，從而釋放出能夠抵抗入侵細菌及其造成的損傷的蛋白。這種自我爆裂還會提醒其他的免疫細胞，即巨噬細胞犧牲自我讓其他細胞知道正在發生什么。

　　這個過程被稱為細胞焦亡（pyroptosis）。具體而言就是，巨噬細胞在它們的表面上形成小孔。這導致水流入細胞中，使之膨脹直至爆裂。當它們發生自我爆裂時，它們也會釋放抑制入侵細菌生長和提醒其他細胞的物質。這是非常有效的，對嗎？

　　狡猾的耶爾森菌知道這一切，并試圖偽裝自己并分泌解毒劑。這些研究人員發現人體知道耶爾森菌偽裝自己。他們解釋道，巨噬細胞以一種之前未被理解的方式啟動一種備用機制。

　　5. Science：我國科學家通過優化單細胞多組學測序技術分析結直腸癌異質性

　　doi:10.1126/science.aao3791

　　在一項新的研究中，來自中國北京大學第三醫院、北京未來基因診斷高精尖創新中心和北大-清華生命科學聯合中心和的研究人員發現利用優化的單細胞多組學測序能夠更好地揭示結直腸癌異質性。

　　相關研究結果發表在2018年11月30日的Science期刊上，論文標題為“Single-cell multiomics sequencing and analyses of human colorectal cancer”。

　　在這項研究中，他們描述了他們的理解結直腸癌進展的獨特方法。論文通訊作者為北京大學的湯富酬（Fuchou Tang）教授、喬杰（Jie Qiao）院士和付衛（Wei Fu）教授。

　　這些研究人員指出，大多數關于結直腸癌進展的遺傳學研究都涉及到探究基因表達。他們提出還需更多的研究來了解結直腸腫瘤是如何轉移的。為了實現這一點，他們開發了一種允許在單個細胞中同時分析拷貝數變化、甲基化和基因表達的測序方法---這種方法將單細胞測序數據與來自染色體構象的信息、表觀遺傳數據和腫瘤細胞的其他特征相結合在一起。

　　這項研究是真正理解癌癥轉移機制的長期努力的第二步，尤其是在結直腸癌中。兩年前，這些研究人員開發出單細胞三重組學測序技術（single-cell triple omics sequencing, scTrio-seq）。

　　利用這種技術，他們已能夠從來自癌癥患者的25個細胞中收集關于基因表達、CpG位點甲基化和拷貝數變化的信息。

　　（Cell Research, 2016, doi:10.1038/cr.2016.23）

　　在這項新的研究中，這些研究人員將細胞數量提高到1900個，并提高了這種檢測方法的效率。這項研究包括收集來自12名患者的細胞樣本，隨后分析它們，其中的10名患者提供來自原發性癌癥和轉移性癌癥的細胞數據。

　　通過使用來自這兩種來源的細胞數據，他們能夠分離出和鑒定因每個患者中發生的突變而產生的遺傳譜系。他們使用甲基化數據和拷貝數信息來識別這些遺傳譜系，這允許他們能夠追蹤它們從原發性腫瘤細胞轉變為轉移性癌細胞時所經歷的進化變化。

　　6.Science：科學家揭示為何不同人群機體傷口愈合方式不同？

　　doi:10.1126/science.aar2971

　　近日，一項刊登在國際雜志Science上的研究報告中，來自耶魯大學的科學家們通過研究發現，在機體傷口修復過程中，賦予皮膚彈性和強度的細胞間的差異或許能夠幫助解釋為何不同個體的傷口愈合方式不同。

　　成纖維細胞是形成皮膚下蛋白結構的主要細胞，此前研究人員認為這些成纖維細胞的功能是一樣的，然而這項研究中，研究人員發現，成纖維細胞亞群或能解釋為何老年人的皮膚再生能力較弱，以及機體特殊類型疤痕的形成方式。

　　研究者Valerie Horsley教授說道，這些細胞亞群或能解釋不同個體機體所具有的不同愈合潛能。

　　文章中，研究人員對成纖維細胞的遺傳特性進行了分析，并且觀察了其在小鼠和人類機體中的功能及效應，結果發現，在機體老化過程中這些細胞對損傷和改變的反應會表現出多種差異；比如當機體出現損傷后，一類在正常情況下產生脂肪細胞的成纖維細胞亞群就會開始形成疤痕組織用以修復皮膚組織，更有意思的是，研究者還發現，相比小鼠皮膚而言，這些成纖維細胞在人類皮膚組織中的水平會發生下降，這或許就能夠解釋為何人類身上的疤痕要比小鼠多。

　　此外，研究人員還闡明了巨噬細胞在幫助機體抵御感染、傷口愈合以及疤痕形成上所扮演的關鍵角色，在組織再生高峰期出現的巨噬細胞會選擇性地向成纖維細胞亞群發送信號，人類機體的疤痕組織中含有大量巨噬細胞和成纖維細胞亞群，而這些細胞都會因老年小鼠機體傷口愈合不良而發生減少。

　　7.Science：對神經母細胞瘤的臨床表型進行分類，有望開發出更有效的治療方法

　　doi:10.1126/science.aat6768

　　在一項新的研究中，德國研究人員可能發現了一種更好的方法來治療神經母細胞瘤（neuroblastoma）患者。相關研究結果發表在2018年12月7日的Science期刊上，論文標題為“A mechanistic classification of clinical phenotypes in neuroblastoma”。

圖片來自Dr. Maria Tsokos, National Cancer Institute。

　　為了更多地了解神經母細胞瘤侵襲性背后的原因，這些研究人員收集了400多個神經母細胞瘤樣品，分析它們的DNA，包括尋找參與維持染色體端粒的基因突變。他們發現這些基因突變與神經母細胞瘤的侵襲性之間存在相關性。低風險的神經母細胞瘤經常缺乏此類基因突變。

　　中度風險的神經母細胞瘤更可能具有此類基因突變。高風險的神經母細胞瘤也具有此類基因突變，但是它們在其他的關鍵基因通路（比如RAS和/或p53通路）中發生突變。

　　8. Science：重磅！揭示細菌存留細胞在抗生素治療期間破壞宿主免疫防御機制

　　doi:10.1126/science.aat7148

　　在一項新的研究中，來自英國倫敦帝國理工學院的研究人員揭示出沙門氏菌中稱為存留細胞（persister cell）的細菌細胞如何操縱我們的免疫細胞。這可能有助于揭示為何盡管服用抗生素，一些患者所患的疾病仍然會反復發作，并且可能為尋找從體內清除這些細菌存留細胞的方法開辟新的途徑。

　　相關研究結果發表在2018年12月7日的Science期刊上，論文標題為“Salmonella persisters undermine host immune defenses during antibiotic treatment”。

　　論文通訊作者為倫敦帝國理工學院MRC分子細菌學與感染中心的Sophie Helaine博士。論文第一作者為倫敦帝國理工學院MRC分子細菌學與感染中心的Peter Hill博士和Daphne Stapels博士。

　　每當沙門氏菌等細菌侵入人體時，許多細菌在應對免疫系統的攻擊時會進入一種休眠模式，這意味著它們不會被抗生素殺死。這些細菌存留細胞停止復制，并且能夠在這種休眠的“睡眠細胞（sleeper-cell）”狀態下保持數天、數周甚至數月的時間。

　　當停止抗生素治療時，如果這些細菌存留細胞中的一些細胞蘇醒過來，那么它們能夠引發另一次感染。

　　在這項新的研究中，這些研究人員發現這些細菌存留細胞雖然潛伏在人體的巨噬細胞中，但實際上也能夠削弱它們的殺傷能力。Hill解釋道，“在此之前，人們認為這些細菌存留細胞已完全處于休眠狀態。

　　然而，我們揭示出的現實更為可怕。它們從內部瓦解了免疫防御，削弱了巨噬細胞的殺傷能力。要知道巨噬細胞是我們抵抗感染的關鍵部分。這意味著一旦抗生素治療停止，它們可能為另一次感染甚至是另一種細菌或病毒的全新感染，創造了一個更有利的環境。”

　　9.Science：新研究有助于殺死肝臟中的瘧原蟲

　　doi:10.1126/science.aat9446； doi:10.1126/science.aav7479

　　在最近發表在“科學”雜志上的最新研究中，這些研究人員解剖了數十萬只蚊子，以清除它們內部的瘧原蟲。之后，他們將每個瘧原蟲在管中分離并用不同的化合物處理  -總共500,000個實驗。

圖片來源： Sanaria Inc., in Rockville。

　　經過大約六年的工作，這些研究人員已經確定了631種用于“化學疫苗”的候選分子  -一種允許身體產生抗體的正常疫苗。如今，他們需要確認所識別的631種分子中哪一種能夠真正消滅這種全球性的禍害。

　　10.Science期刊及其子刊10篇論文揭示神經精神疾病的根源

　　迄今為止對人類大腦開展的最全面的基因組分析針對它在發育期間經歷的變化、它在個體之間的差異以及自閉癥譜系障礙和精神分裂癥等神經精神疾病的根源提出了新的見解。

　　對將近2000個大腦的多研究機構分析將大腦發育和功能的復雜編排整合在一起。2018年12月14日，有10項研究發表在Science期刊及其兩個子刊Science Advances和Science Translational Medicine期刊上。其中的4項重要研究是由來自耶魯大學各種學科的研究人員領導的。

　　耶魯大學正在發起一項雄心勃勃的將神經科學與數據科學結合在一起的計劃。這4項研究解釋了15個研究機構正在采用一系列新工具來尋找神經精神疾病（neuropsychiatric disease）的分子基礎---這是美國國家衛生研究院（NIH）在2015年成立的PsychENCODE聯盟的目標。

　　根據耶魯大學生物醫學信息學教授Mark Gerstein領導的兩項研究，針對單個基因的活性和在發育過程中控制它們的調節網絡收集的數據允許數據科學家們能夠評估精神分裂癥和躁郁癥等疾病的風險，而且評估的準確性要比針對已知的遺傳風險變異（genetic risk variant）的傳統分析高出6倍。

　　研究人員還發現，這些遺傳風險變異能夠在發育早期和一生中影響基因的功能，但是更可能以癥狀的形式自我表現出來，這是因為它們在不同的發育階段形成不同的網絡或模塊。

　　耶魯大學神經科學教授Nenad Sestan及其團隊在兩項研究中解釋了為什么患上自閉癥和精神分裂癥等許多神經精神疾病的風險會隨著時間的推移而發生變化。