2016年12月Science期刊不得不看的亮点研究

2016年12月31日/生物谷BIOON/--12月份即将结束了，12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：重磅！开发出分辨率仅为一纳米的荧光显微镜
doi:10.1126/science.aak9913

光学显微镜的最高目标是改善这种方法的分辨率以至于一个人能够单个地区分彼此间挨得非常近的分子。如今，来自德国马克斯-普朗克生物物理化学研究所的诺贝尔奖得主Stefan Hell和同事们实现了长期以来被认为是不可能实现的目标：他们开发出一种新的被称作MINFLUX的荧光显微镜，从而首次允许利用光学手段区分彼此间相隔几纳米的分子。这种显微镜在分辨率上要比常规的光学显微镜高出100倍，而且甚至超过迄今为止最好的超分辨率光学显微镜--- Hell开发的STED和诺贝尔奖得主Eric Betzig描述的PALM/STORM ---高达20倍。对MINFLUX而言，Hell以一种全新的概念结合了STED和PALM/STORM的优势。这一突破为科学家们在分子水平上研究生命如何发挥功能提供新的机会。

Hell解释道，“我们利用MINFLUX实现1纳米的分辨率，这是单个分子的直径---在荧光显微镜中可能实现的最终分辨率限制。我深信MINFLUX显微镜有潜力成为细胞生物学最为基础的工具之一。基于此，在分子细节上绘制细胞图谱和实时观察它们内部快速发生的过程将是可能的。这可能能够在我们了解活细胞中发生的分子过程方面引发变革。”

2.Science：利用三维结构变化揭示细菌视紫红质工作机制
doi:10.1126/science.aah3497

在一项新的研究中，利用强大的新工具，来自日本、法国、瑞典、瑞士、韩国和德国的研究人员展示了作为一种质子泵，细菌视紫红质（bacteriorhodopsin）如何利用光线让质子跨过细胞膜，从而产生能够被用来驱动细胞活动的电荷差异。相关研究结果发表在2016年12月23日那期Science期刊上。

细菌视紫红质是一种吸收光线并且进行质子跨细胞膜运输的蛋白---生物系统中的一种关键功能。但是科学家们长期以来想要知道它是如何做到这点的，而且它如何推动质子进行单方向运输：从细胞内部运输到细胞外面。

在当前的这项研究中，研究人员采用了一种被称作时间分辨串行飞秒晶体学（time-resolved serial femtosecond crystallography）的技术：他们基于一种泵浦-探测方法（pump-probe method），在细菌视紫红质被光线照射后，在多个时间点上获得上千张细菌视紫红质的结构图片。当将这些图片结合在一起时，他们能够揭示出这种细胞膜蛋白如何能够逆着电荷梯度将质子转运到细胞外面带更多正电荷的环境中，从而像电池那样产生能够被用来驱动化学反应的电荷差异。

论文第一作者、日本理化学研究所SPring-8中心科学家Eriko Nango说，“在这项研究中，我们能够揭示质子转移机制，从而终结关于这个机制的长期争论。这种光激发导致视黄醛---吸收光线的细菌视紫红质中的一个关键部分---发生构象变化。这接着导致视黄醛上方的氨基酸残基移向细胞质中，水分子短暂地出现在那个空间中来协助主要的质子转移。在此之后，一系列微妙的分子级联事件阻止质子向后移动，因而推动质子转移到细胞外面。”

3.Science：解析出酵母小亚基加工体的三维结构图
doi:10.1126/science.aal1880
在一项新的研究中，来自美国洛克菲勒大学的研究人员解析出迄今为止最为详细的细胞制造负责产生非常重要的蛋白的纳米机器（即核糖体）过程中一个重要步骤的三维图。这些结果促使科学家们重新评估他们设想核糖体组装过程中这个早期阶段的方式。

他们解析出的这种结构属于一种正式名称为“小亚基加工体（small subunit processome）”的颗粒。在这种颗粒能够完成它的宿命成为一个完整的核糖体的小亚基之前，在它内部的RNA需要加以折叠、调整和切割。

像大多数针对核糖体的研究一样，这项研究利用酵母作为研究对象，这是因为它的蛋白制造机器（即核糖体）看起来几乎与其他的复杂细胞（包括我们自己的细胞）中的一模一样。

为了获得这种颗粒迄今为止分辨率最高的结构图，Klinge、论文第一作者Malik Chaker-Margot和其他的团队成员使用了一种被称作冷冻电子显微镜技术的方法。

4.施一公等在《科学》发文报道酵母剪接体三维结构
doi:10.1126/science.aak9979

清华大学生命学院、结构生物学高精尖创新中心施一公教授研究组于《科学》（Science）杂志就剪接体的结构与机理研究再发长文（Research Article），题为《酵母剪接体处于第二步催化激活状态下的结构》（Structure of a Yeast Step II Catalytically Activated Spliceosome），报道了酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）剪接体在即将开始第二步剪接反应前的工作状态下的三维结构，阐明了剪接体在第一步剪接反应完成后通过构象变化起始第二步反应的激活机制，从而进一步揭示了前体信使RNA剪接反应（pre-mRNA splicing，以下简称RNA剪接）的分子机理。

由于真核生物中的基因编码区中存在不翻译成蛋白质的序列（称为内含子），染色体DNA转录出来的前体mRNA（pre-mRNA）并不直接参与蛋白质翻译，而是需要先将其中的内含子片段去除，才能进入核糖体进行蛋白质合成。内含子的去除需要通过两步转酯反应来实现：首先，位于内含子序列中下游被称为分支点（branch point sequence）的序列中有一个高度保守的腺嘌呤核苷酸（A），其2’羟基亲核攻击内含子5’末端的鸟嘌呤（G），于是第一步反应发生，形成套索结构；然后，5’外显子末端暴露出的3’-OH向内含子3’末端的鸟嘌呤发起攻击，第二步反应发生，两个外显子连在一起。通过这两步反应，前体信使RNA中数量、长度不等的内含子被剔除，剩下的外显子按照特异顺序连接起来从而形成成熟的信使RNA（mRNA）。

这两步化学反应在细胞内是由一个庞大、复杂而动态的分子机器——剪接体催化完成的。对于每一个内含子来说，为了调控反应的各个基团在适当时机呈现合适的构象从而发挥其活性，剪接体各组分按照高度精确的顺序结合和解离，组装成一系列具有不同构象的分子机器，统称为剪接体。根据它们在RNA剪接过程中的生化性质，这些剪接体又被区分为B、Bact、B*、C、P、ILS等若干状态。获取剪接体在组装、激活、催化反应过程中各个状态的结构是最基础也是最富挑战性的结构生物学难题之一。

5.Science：重磅！利用CRISPRi鉴定出细胞生长所需的499个lncRNA
doi:10.1126/science.aah7111
长链非编码RNA（lncRNA）是一类神秘的长200多个核苷酸但不会编码任何蛋白的分子。如今，在一项新的研究中，研究人员鉴定出499个lncRNA是功能性的，并且在理解这些分子如何发挥作用方面取得重大进展。他们报道，不同于大多数蛋白编码基因---它们往往是众多细胞系所必需的---的是，针对测试的6种细胞系，在鉴定出的lncRNA中，将近90%的lncRNA似乎影响仅仅其中的一种细胞系的强劲生长。

Lim、Weissman和同事们开发出一种CRISPR干扰（CRISPR interference, CRISPRi）平台，这种平台靶向7种不同的细胞系---6种转化的细胞系和一种人诱导性多能干细胞---中的16,401个lncRNA位点。通过利用他们的这种经过修饰的CRISPR技术抑制每个候选lncRNA的表达从而对上千个位点进行筛选之后，他们鉴定出499个lncRNA位点是强劲的细胞生长所需要的，其中89%的位点似乎仅在一种细胞类型中发挥功能。

Rinn说，“这项研究是首次在特定的细胞系中对lncRNA进行全基因组筛选。依据这项研究，我们如今能够作出结论：大多数lncRNA在细胞活力中发挥着重要作用，正如猜测中的那样。但是如今，可以这么说，一切还得实践证明。”

6.Science：科学家成功实现从土壤中寻求治疗耐药性细菌感染的良方
doi:10.1126/science.aag3180

许多感染性病原体引发的疾病都很难治疗，因为这些病原菌会产生生物被膜，即代谢活性但生长较慢的细菌会嵌入到黏液保护层中，这些细菌就会对抗生素的治疗产生耐药性；近日一项刊登在国际著名杂志Science上的研究报告中，来自加州理工学院和牛津大学的研究人员就在抵御细菌生物被膜上取得重大进展，研究小组发现了一种特殊的蛋白质，该蛋白能够帮助降解并且抑制致病菌铜绿假单胞菌，该菌是引发囊性纤维化感染的主要病原体。

研究者Newman说道，铜绿假单胞菌会引发非常难以治疗的慢性感染，比如位于烧伤创面、糖尿病性溃疡部位以及囊性纤维化患者肺部的细菌等，该菌引发的感染难以治疗的部分原因就是细菌能够形成生物被膜组织，而相比细菌生长的方式而言，其所产生的特殊生物被膜组织会对常规的抗生素产生耐受性，文章中研究者就提出了一种新型手段来抑制铜绿假单胞菌所产生的生物被膜。

研究人员将目光锁定到了绿脓菌素上，这是一类由铜绿假单胞菌产生的小分子，其能够产生一种蓝绿色的色素，绿脓菌素在临床细菌的鉴别上已经使用了一个多世纪了，但很多年前研究者Newman的团队就发现，绿脓菌素能够促进生物被膜的生长，因此研究者就提出假设，是否绿脓菌素的降解就会抑制细菌生物被摸的产生。为了鉴别出选择性靶向作用绿脓菌素的因子，研究人员Kyle Costa就对曾经在加州理工学院贝克曼研究院( Beckman Institute )收集的土壤进行研究，他们从土壤中分离出了一种名为偶发分枝杆菌（Mycobacterium fortuitum）的细菌，该细菌能够产生一种名为绿脓菌素脱甲基酶（PodA）的小型蛋白分子；当将PodA酶加入到铜绿假单胞菌培养基中时，研究者发现细菌生物被膜的产生就会被抑制。

7.Science：开发出分泌胰岛素的人工β细胞
doi:10.1126/science.aaf4006
在一项新的研究中，来自瑞士苏黎世联邦理工学院和中国华东师范大学等机构的研究人员利用一种简单明了的工程学方法制造出人工β细胞。这些人工β细胞能够做天然的β细胞做的任何事 情：它们测量血液中的葡萄糖浓度，产生足够的胰岛素来有效地降低血糖水平。

对研究人员的新方法而言，他们使用一种基于人肾细胞的细胞系，即HEK细胞。他们使用了HEK细胞膜中天然的葡萄糖转运蛋白和钾离子通道。他们利用一种电压依赖性钙离子通道、一种产生 胰岛素或GLP-1的基因提高它们的功能，其中GLP-1是一种参与血糖水平调节的激素。

在这些人工β细胞中，HEK细胞的天然葡萄糖转运蛋白携带来自血液中的葡萄糖到细胞内部。当血糖水平超过某个阈值时，钾离子通道关闭。这会颠倒细胞膜上的电压分布，导致钙离子通道打 开。随着钙离子流进，它触发HEK细胞内在的信号转导级联事件，导致胰岛素或GLP-1的产生和分泌。

在糖尿病模式小鼠体内对这些人工β细胞的初步测试揭示出这些细胞是非常有效的：论文共同通信作者、苏黎世联邦理工学院生物系统科学与工程系Martin Fussenegger教授说，“它们要比 迄今为止世界上任何地方获得的任何方法更长时间地更好地发挥功能。”当植入到糖尿病模式小鼠体内时，这些经过修饰的HEK细胞在三周内可靠地发挥作用，产生足够数量的调节血糖水平的 胰岛素或GLP-1。

8.Science：鉴定出胚胎发育期间控制皮肤细胞长出毛囊或汗腺机制
doi:10.1126/science.aah6102; doi:10.1126/science.aal4572

在一项新的研究中，来自美国洛克菲勒大学的研究人员鉴定出在胚胎发育期间参与控制皮肤细胞长成汗腺还是毛囊的分子信号和时间选择。他们描述了他们如何利用小鼠的独特性质更多地了解皮肤细胞发育的过程。相关研究结果发表在2016年12月23日那期Science期刊上，论文标题为“Spatiotemporal antagonism in mesenchymal-epithelial signaling in sweat versus hair fate decision”。来自中国医科大学的Yung Chih Lai和Cheng-Ming Chuong针对这项研究发表一篇观点类型的文章。

小鼠是独特的，这是因为它们背部上的皮肤细胞仅允许毛囊产生，而它们脚部上的皮肤细胞仅允许汗腺产生。这允许研究人员有机会通过对这两者进行比较更多地了解这种发育。他们发现在小鼠体内导致皮肤发育的干细胞在参与控制哪种细胞结构类型产生的蛋白表达上存在差异：比如，一类被称作间充质源性骨形态发生蛋白（BMP）的蛋白在脚部上发现的细胞中更加丰富，特别是Bmp5发挥着一种特别重要的作用。当Bmp5被阻断时，在小鼠脚部产生的汗腺数量显著降低。他们也发现WNT和FGF蛋白等其他参与的分子信号，当在小鼠体内进切换时，会导致皮肤细胞发育的最终结果发生交换，也就是产生毛囊而不是汗腺。

研究人员将这些结果与人皮肤细胞样品进行比较，结果发现BMP和FGF蛋白在胚胎发育17周期间要比第15周期间更高水平地表达，而之前的研究已证实这是皮肤细胞由长出毛发过渡到汗芽（sweat-bud）形成的时期。

9.Science：磁刺激可以找回遗忘的记忆
doi:10.1126/science.aah7011
在12月2日的Science上，来自美国威斯康辛大学的研究小组的结果表明记忆可以复活。与最近的研究工作一致，这项研究表明即使在传统的短期记忆已经消失时，信息可以在某种程度上在连接的神经元之间的突触中被保持。这是一个根本性的发现，就像记忆中的暗物质。虽然很难看到它或者以明确的方式来测量，但它就在那里。

威斯康星大学的认知神经学家Nathan Rose和同事让受试者观看一系列幻灯片显示的面孔，言语，或向一个方向移动的点。他们使用功能性磁共振成像(fMRI)，并在机器学习算法的帮助下跟踪神经活动，结果显示他们可以将大脑活动与每个相关的项目进行分类。然后以词语和面孔组合的方式查看项目，但线索仍集中在一项上。首先，在这一轮脑电图（EEG）测量中大脑显示对这两项的信号。对于没有线索的项目神经活动迅速下降到基线，好像已经忘记了，而有线索的项目脑电图信号依然存在，表明它仍然是在工作记忆中。然而，受试者在被提示几秒钟后，仍然可以迅速想起来没有线索的项目。

Rose和他的同事们后来用经颅磁刺激（TMS，一种利用快速变化的磁场提供的脉冲电流到大脑的非侵入性的方法）进行试验。他们让受试者执行相同线索的记忆任务，然后在无线索的记忆项的信号刚刚消退后，应用广泛的TMS脉冲刺激大脑。“遗忘”的项目出现了适当的神经活动，显示记忆从潜伏状态被激活。更重要的是，当TMS直接靶向脑区无线索项目最初活跃的区域，活化反应更强。

10.Science：中国北京大学发现开发活病毒疫苗或是可行的
doi:10.1126/science.aah5869

在一项新的研究中，来自中国北京大学的研究人员开发出一种新型疫苗。他们声称这可能提供一种新方法来产生活病毒疫苗，而且在他们的想象下，这种疫苗可能适合于任何一种病毒类型。他们概述了他们对一种流感病毒进行修饰而导致它在没有感染风险的情形下引发免疫反应的方法。

当前，大多数疫苗含有已被杀死的或已被削弱到当注射到健康人体内不可能导致感染的程度的病毒。如果类似的病毒在体外被发现，并且在它们有发生增殖和导致感染的机会之前，这些疫苗通过导致免疫系统靶向这些类似的病毒发挥作用。不幸的是，在某些情形下，具有较弱免疫系统的人发现自己在接种疫苗后遭受感染。在这项新的研究中，研究人员采取一种新方法构建疫苗---对一种流感病毒进行修饰，并且以一种不允许导致任何病人遭受感染的方式进行修饰。

研究人员了解到病毒利用某些氨基酸作为这种感染过程的一部分---他们随后通过利用他们已在实验室中制造的一种人工氨基酸替换参与感染过程的一种氨基酸来对一种流感病毒进行修饰，其中这种人工氨基酸在正常情形下不会出现在病毒或人体中。在缺乏正确的氨基酸情形下，这种病毒仍然能够发挥功能，但是它不能够导致感染，而且鉴于它仍然是一种流感病毒，它在体内的存在导致免疫系统攻击它们和遇到的任何其他类型的流感病毒，因而阻止感染发生。本质上，它与传统的疫苗一样地发挥作用，同时不会让病人产生因接受疫苗接种而遭受感染的风险。

研究人员报道他们构建的试验疫苗经发现可导致小鼠产生抗体反应，而且这种效果与利用常规疫苗导致的效果相当。当在较晚的时候给这些受试小鼠第二次接种这种试验疫苗时，研究人员发现它们的抗体水平增加6到8倍。再者，他们发现这种病毒有效地阻止小鼠、雪貂和豚鼠遭受流感病毒感染。

11.两篇Science揭示家族性高胆固醇血症发病率及其基因变异
doi:10.1126/science.aaf7000; doi:10.1126/science.aaf6814; doi:10.1126/science.aal4573
由美国格伊辛格卫生系统（Geisinger Health System, GHS）和Regeneron遗传学中心（Regeneron Genetics Center, RGC）合作开展的一项研究发现一种威胁生命的被称作家族性高胆固醇血症（Familial Hypercholesterolemia, FH）的遗传病未被充分诊断和治疗。相关研究结果发表在2016年12月23日那期Science期刊上，论文标题为“Genetic identification of familial hypercholesterolemia within a single U.S. health care system”。GHS和RGC合作完成的另一项发表在同期Science期刊上的研究描述了DiscovEHR组群（DiscovEHR cohort）中首批50,726名成年人参与者的外显子组测序和分析结果，其中这些人都是格伊辛格MyCode社区健康计划（Geisinger MyCode Community Health Initiative）的成员。

在针对FH的研究中，研究人员研究了DiscovEHR组群中导致FH的基因变异体，然后将这些研究结果与包含在格伊辛格电子健康记录中去除身份信息的这些病人的病史进行比较。传统上，在美国，FH是在具有高胆固醇的而且也具有早期心脏病和中风家族史的病人体内得到确诊的。对FH的遗传测试当前在临床实践中并不是常见的。

格伊辛格卫生系统临床基因组学主任Michael F. Murray博士说，“这项研究表明FH发病率要大约是曾经认为的2倍，而且对FH的大规模遗传测试有助鉴定出在其他情形下会被漏检的病例。如今，我们希望利用DNA测序对病人进行更好地管理。”

在第二项研究的众多发现之一是每256人当中有1人拥有来自三种FH基因中的一种基因的致病性突变。它表明携带一种有害的FH基因变异的参与者要比没有一种FH基因变异的那些人具有显著更高的“坏”胆固醇。他们也具有显著增加的一般冠状动脉疾病和早发冠状动脉疾病发生几率。

第二项研究鉴定出已被确定导致FH的基因LDLR、APOB和PCSK9中的35种突变。仅有24%的携带导致FH的基因变异的人在他们的电子健康记录中有充分条件来支持可能的或确定的FH确诊，这意味着若没有基因确诊，这些病人中的很多人将未被确诊和可能未被治疗。确实，42%的携带这些导致FH的基因变异的人最近并没有服用他汀类药物，即降低胆固醇的一线药物。在接受他汀类药物治疗的携带导致FH的基因变异的人当中，不到一半的人实现降低胆固醇的目标。 （生物谷 Bioon.com）

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