2021年8月Science期刊不得不看的亮点研究

2021年8月31日讯/生物谷BIOON/---2021年8月份即将结束了，8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：重大进展！CRISPR先驱张锋利用人类蛋白质开发出新型mRNA递送平台，助推基因疗法开发
doi:10.1126/science.abg6155

在一项新的研究中，来自美国麻省理工学院、麦戈文脑科学硏究所、霍华德-休斯医学研究所和布罗德研究所的研究人员开发出一种向细胞递送分子药物的平台。该平台被称为SEND，可以经编程后封装和递送不同的RNA货物。SEND利用体内的天然蛋白质形成类似病毒的颗粒并结合RNA，而且它可能比其他递送方式引起的免疫反应更少。相关研究结果发表在2021年8月20日的Science期刊上，论文标题为“Mammalian retrovirus-like protein PEG10 packages its own mRNA and can be pseudotyped for mRNA delivery”。

完全组装好的SEND保护囊从细胞中释放出来，经收集后可用于基因疗法，图片来自McGovern Institute。

这种新的递送平台在细胞模型中有效地发挥作用，并且随着进一步的开发，可能为广泛的分子药物---包括那些用于基因编辑和基因替换的分子药物---开辟一类新的递送方法。针对分子药物的现有递送工具可能效率低下，并随机整合到宿主细胞的基因组中，而且有些可能刺激不必要的免疫反应。SEND有希望克服这些限制，这可能为部署分子药物开辟新的机会。

在这篇新的论文中，张锋及其研究团队描述了SEND（Selective Endogenous eNcapsidation for cellular Delivery, 选择性内源性封装用于细胞递送）如何利用人类细胞制造的分子。SEND的中心是一种叫做PEG10的蛋白质，它通常与自身的mRNA结合，并在其周围形成球形的保护囊。在他们的研究中，他们设计了PEG10来选择性地包装和递送其他RNA。他们利用SEND将CRISPR-Cas9基因编辑系统递送给小鼠细胞和人类细胞，以编辑靶基因。

为了开发SEND技术，张锋团队确定了编码PEG10的mRNA中的分子序列，或者说“信号”，PEG10识别该信号并用于包装它自身的mRNA。然后，他们利用这些信号对PEG10 mRNA和其他RNA货物进行设计，使PEG10能够选择性地包装这些RNA。接下来，他们用额外的称为fusogen的蛋白质装饰PEG10保护囊，其中fusogen在细胞表面上发现，帮助细胞融合在一起。

通过设计PEG10保护囊上的fusogen，张锋团队应该能够将PEG10保护囊靶向特定类型的细胞、组织或器官。作为实现这一目标的第一步，他们使用了两种不同的fusogen，包括在人体中发现的一种，以实现SEND货物的递送。Zhang说，“通过混合和匹配SEND平台中的不同成分，我们相信它将为开发不同疾病的治疗方法提供一种模块化平台。”

2.Science：揭示肠道微生物组中的肠球菌增强免疫检查点抑制剂的抗肿瘤反应机制
doi:10.1126/science.abc9113; doi:10.1126/science.abl3656

在一项新的研究中，来自美国洛克菲勒大学和斯克里普斯研究所等研究机构的研究人员发现在肠道微生物组中肠球菌属的成员能够改善小鼠肿瘤模型对免疫检查点抑制剂的反应。相关研究结果发表在2021年8月27日的Science期刊上，论文标题为“Enterococcus peptidoglycan remodeling promotes checkpoint inhibitor cancer immunotherapy”。

与疾病相关的肠道微生物群因年龄而异，图片来自eLife Science Digests。

这些作者发现活跃的肠球菌表达和分泌NlpC/p60肽聚糖水解酶SagA的同源物，该酶可以分解细菌细胞壁的成分。这一过程导致了胞壁肽（muramyl peptide）片段的释放，而这些片段又作为刺激性分子，促进先天免疫感应蛋白NOD2的信号传递，从而改善免疫治疗反应。SagA在非保护性粪肠球菌中的表达足以促进免疫治疗反应。值得注意的是，他们通过采用基因工程手段发现经过基因改造后表达SagA的益生菌也增强了抗PD-L1疗法的抗肿瘤疗效，此外体外合成的胞壁肽也实现同样的效果。

综上所述，这些数据表明，具有专门的肽聚糖重塑活性的肠道微生物物种和基于胞壁肽的治疗方法可以增强癌症免疫治疗，并可能作为下一代佐剂加以利用。

3.Science：产前母体感染可增强后代的组织特异性免疫力，但也会提高后代的粘膜炎症易感性
doi:10.1126/science.abf3002; doi:10.1126/science.abl3631

免疫系统的一个基本特性是它能够形成对以前遭遇的记忆，从而增强对后续挑战的反应能力。这种现象不仅存在于适应性免疫系统，还存在于先天性细胞和组织干细胞/">干细胞。感染引起的宿主印记导致对后续挑战的反应发生改变，这一概念在怀孕的背景下特别有意义，因为怀 孕是免疫系统的一个基本发育窗口（developmental window）。哺乳动物遇到的大多数感染，包括怀孕期间遇到的感染，都是温和和短暂的。这些感染如何在长期内塑造后代的组织免疫力和后代组织对炎症性疾病的易感性仍有待解决。

定时怀孕的母鼠（第10.5天）被食源性病原体假结核耶尔森菌（Yersinia pseudotuberculosis, yopM）的减弱菌株感染是短暂的，并局限于母体。以前被感染的母鼠的成年后代在小肠和大肠固有层中拥有更多的Th17细胞，但没有其他细胞亚群。在其他屏障组织没有观察 到变化。对一种共生菌抗原特异性的转基因T细胞进行转移显示，母体感染以一种增强TH17细胞对肠道微生物群反应的方式影响后代的肠道环境。

交叉培养实验表明，母体感染导致的TH17细胞的增加在子宫内有印记。在各种炎症介质中，白细胞介素-6（IL-6）在感染了yopM的母体血清中明显增加。单独给怀孕的母体注射IL-6，可明显增加子代肠道内的TH17细胞数量。相反，在受感染的母体中阻断IL-6，可以阻止 后代体内的这种增加。此外，向无菌妊娠母体注射IL-6，并在断奶后对其后代进行常规化处理，发现产前建立和产后维持IL-6介导的组织印记与母体肠道微生物群无关，但允许后代对产后微生物群暴露产生增强的TH17细胞反应。

IL6RA（IL-6的受体）在所有的胎儿肠道上皮细胞中都有表达，从上皮细胞中特异性地剔除IL6RA可以明显减少IL-6暴露的母体产下的后代肠道中的Th17反应。通过使用互补的方法，包括ATAC-seq（transposase-accessible chromatin with high-throughput sequencing, 通过高通量测序对转座酶可接近性染色质进行测定）和单细胞RNA测序，研究人员发现怀孕期间IL-6的增加对上皮干细胞/">干细胞的染色质可接近性和下游上皮细胞功能有即时影响（对胎儿细胞）和长期影响（在成年后代中），特别是增加编码抗原呈递复合物和抗菌肽的基因表达 。上皮细胞激活状态的改变表明，这种现象可能与增强的抗菌防御有关。为了解决这个问题，研究人员使用了一种急性的鼠伤寒沙门氏菌（Salmonella Typhimurium）口腔感染模型。来自先前感染过yopM或在怀孕期间注射过IL-6的母体的后代对沙门氏菌口腔感染和传播 产生了增强的抵抗力。在控制白色念珠菌（Candida albicans）皮肤感染方面没有观察到差异，这进一步支持了后代的母体印记仅限于肠道部分的观点。然而，怀孕期间IL-6的暴露增强与初始T细胞（naïve T cell）转移和葡聚糖硫酸钠介导的结肠炎的肠道病理学增强有 关。

4.Science：利用新型机器学习技术准确预测蛋白和RNA的三维结构
doi:10.1126/science.abe5650; doi:10.1126/science.abk1971

美国斯坦福大学博士生Stephan Eismann和Raphael Townshend在该大学计算机科学副教授Ron Dror的指导下，利用巧妙的新型机器学习技术，开发出一种通过计算预测准确结构来克服这一问题的人工智能算法。最值得注意的是，即使只从少数已知结构中学习，他们的方 法仍然成功，这使得它适用于那些结构最难通过实验确定的分子类型。这些作者设计的人工智能算法可以预测准确的分子结构，这样做可以让科学家们解释不同的分子是如何发挥作用的，其应用范围包括从基础生物研究到药物设计实践。

他们的研究成果分别发表在2021年8月27日的Science期刊和2020年12月的Proteins期刊上，详细介绍了他们的方法在RNA分子和多蛋白复合物上的应用。发表在Science期刊上的这篇标题为“Geometric Deep Learning of RNA Structure”的论文是与斯坦福大学生物化学 副教授Rhiju Das实验室合作完成的。这些作者没有详细说明是什么使结构预测更加准确，而是让算法自己发现这些分子特征。他们这样做是因为他们发现提供这种知识的传统技术会使算法偏向于某些特征，从而阻止它找到其他有信息的特征。Eismann说，“算法中这些 人为确定的特征的问题是，算法变得偏向于挑选这些特征的人认为重要的东西，而这可能会错过一些实际上表现得更好的信息。”

在显示出在蛋白中取得成功之后，这些作者接下来将他们的算法应用于另一类重要的生物分子：RNA。他们在一系列“RNA谜题（RNA Puzzles）”中测试了他们的算法，这些谜题来自于他们领域的一个长期竞赛，在每种谜题下，该工具都比其他所有谜题的参与者表现得更 好，而且是在没有专门为RNA结构设计的情况下做到的。

这些作者已经在蛋白质复合物和RNA分子上取得了成功，他们很高兴看到他们的方法还可以应用在其他领域。

5.Science：重大进展！揭示巴雷特食道的细胞起源及其转化为食道腺癌的机制
doi:10.1126/science.abd1449; doi:10.1126/science.abj9797

在一项新的研究中，来自英国剑桥大学等研究机构的研究人员发现一种称为食道腺癌（oesophageal adenocarcinoma）的特殊食道癌亚型总是先有巴雷特食道（Barrett's oesophagus）---食道存在异常细胞，即便这些异常细胞在诊断癌症时已不再可见。这证实了筛查巴雷特食道是控制食道癌的一个重要方法。相关研究结果发表在2021年8月13日的Science期刊上，论文标题为“Molecular phenotyping reveals the identity of Barrett’s esophagus and its malignant transition”。

巴雷特食道是一种经常在食道下部中发生的细胞改变，增加癌症的风险。图片来自Lizhe Zhuang and Karol Nowicki-Osuch。

论文共同第一作者、剑桥大学医学研究委员会的Lizhe Zhuang博士说，“耐人寻味的是，尽管巴雷特食道主要发生在靠近胃部的食道下段，但它有所谓的‘杯状细胞（goblet cell）’，类似于一个与食道距离更远的器官---小肠---中的细胞。在过去的二十年里，关于巴雷特食道的起源至少有六种不同的假说。通过使用最新的技术，我们相信我们已经找到了这个谜团的答案。”

这些作者分析了来自巴雷特食道患者和从未患过此病的器官捐赠者的组织样本。他们构建了详细的人类细胞和组织的图谱，这些人类细胞和组织来自巴雷特食道的所有可能来源，包括食道粘膜下腺体（oesophageal submucosal gland），其中食道粘膜下腺体是一种难以捉摸的组织结构，其作用方式与唾液腺类似，之前从未从新鲜人体组织中分离出。

然后，这些作者利用一些最先进的分子技术对来自健康组织、巴雷特食道和食道腺癌的细胞图谱进行了比较。这些技术包括单细胞RNA测序，其中单细胞RNA测序是一种强大的技术，使得他们能够研究大量单个细胞的功能。他们还研究了甲基化---组织中细胞的DNA的化学修饰---图谱，以及追溯特定细胞类型起源的遗传谱系。

这些研究结果显示，胃细胞和巴雷特食道之间有惊人的相似性，这表明胃部的最顶端的细胞可以被重新编程，以采用新的组织身份，变得更像肠道细胞，并取代食道细胞。此外，在这项新的研究中，这些作者发现，两个基因---MYC和HNF4A---是将组织细胞身份从胃部转换为肠道细胞的关键。

6.Science：颠覆常规！人体代谢率在生命早期就达到顶峰，在60岁后才开始下降
doi:10.1126/science.abe5017; doi:10.1126/science.abl4537

我们大多数人都记得，有一段时间，我们可以想吃什么就吃什么，却不会发胖。但是，在一项新的研究中，来自美国、中国、日本、英国、挪威、摩洛哥、加纳、荷兰、法国、瑞士、挪威、德国、毛里求斯、牙买加、南非、肯尼亚、卢旺达、芬兰、丹麦和奥地利的研究人员发现人体的代谢---燃烧卡路里的速度---实际上在生命早期就达到了顶峰，而开始其不可避免的下降的时间比人们想象的要晚。相关研究结果发表在2021年8月13日的Science期刊上，论文标题为“Daily energy expenditure through the human life course”。

这些作者分析了从一周岁到95岁的6600多人在全世界29个国家进行日常生活时消耗的平均卡路里。为了得出每日总能量消耗的数字，他们依靠“双标水（doubly labeled water）”方法。这是一种尿液测试，涉及让一个人喝水，水分子中的氢和氧已经被替换成自然产生的“重元素”形式，然后测量它们被冲出的速度。

这些作者发现，每磅体重中，婴儿的代谢率是最高的。在出生后的头12个月里，能量需求会急剧上升，到一岁时，按体型来说，一岁的孩子燃烧卡路里的速度比成年人快50%。这不仅仅是因为在出生后的第一年，婴儿正忙于将他们的出生体重增加到三倍。这些数据显示，在婴儿期最初的激增之后，代谢每年减缓约3%，直到我们到达20多岁，这时代谢稳定下来，达到一个新的正常水平。尽管青少年时期是成长的高峰期，但是这些作者在考虑到体型因素后，并没有看到青少年时期的每日热量需求有任何增加。

事实上，这些作者发现，在中年时期--人的20岁、30岁、40岁和50岁--的能量消耗是最稳定的。即使在怀孕期间，随着婴儿的成长，随着体重的增加，女性的卡路里需求也不会比预期的多或少。

这些数据表明，人体的代谢直到60岁以后才真正开始下降。这种减缓是渐进的，每年只有0.7%。但是一个90多岁的人每天需要的卡路里比处于中年时期的人少26%。

7.Science：高脂肪饮食扰乱肠道内壁及其微生物群落，最终增加心血管疾病风险
doi:10.1126/science.aba3683

在一项新的研究中，来自美国范德堡大学医学中心和加州大学戴维斯分校等研究机构的研究人员发现高脂肪饮食扰乱了肠道内壁及其微生物群落的生物学特性，并促进了一种可能导致心脏病的代谢物的产生。这些在饮食诱导肥胖的小鼠模型中取得的发现支持肠道和肠道微生物群在心血管疾病产生中起着关键作用。相关研究结果发表在2021年8月13日的Science期刊上，论文标题为“High-fat diet–induced colonocyte dysfunction escalates microbiota-derived trimethylamine N-oxide”。

肠道微生物群与宿主代谢之间的功能性相互作用，图片来自Nature期刊。

这些作者发现在饮食诱导肥胖的小鼠模型中，高脂肪饮食会导致炎症，并损害肠道上皮细胞。Byndloss解释说，高脂肪饮食损害了产生能量的线粒体的功能，导致肠道细胞产生更多氧气和硝酸盐。这些因子反过来刺激有害的肠杆菌科微生物（比如大肠杆菌）的生长，并促进细菌产生一种叫做三甲胺（trimethylamine, TMA）的代谢物。肝脏将TMA转化为三甲胺-N-氧化物（trimethylamine-N-oxide, TMAO），而TMAO与促进动脉硬化和增加患者全因死亡的相对风险有关。

这些作者证实，一种目前被批准用于治疗炎症性肠病的药物恢复了肠道上皮细胞的功能，并减弱了这种小鼠模型中的TMAO增加。这种称为5-氨基水杨酸（5-aminosalicylic acid）的药物能激活肠道上皮细胞中的线粒体生物能量。

Byndloss说，“这一证据表明，阻止与高脂肪饮食相关的负面结果是可能的。”她补充说，像5-氨基水杨酸这样的药物可能与益生菌一起使用，以恢复健康的肠道环境并提高有益微生物的水平。

8.Science：发现lncRNA HULC调节苯丙氨酸代谢，HULC模拟物有望治疗苯丙酮尿症
doi:10.1126/science.aba4991; doi:10.1126/science.abj7969

苯丙酮尿症（phenylketonuria, PKU）及其较温和的变体高苯丙氨酸血症（hyperphenylalaninemia, HPA）是遗传性代谢疾病，其特点是无法将氨基酸苯丙氨酸转化为酪氨酸。这些疾病在婴儿中的发病率大约为1/10000，其中的大多数婴儿的PAH基因发生了突变。未经治疗的PKU可导致大脑损伤、智力障碍、癫痫发作和行为或精神障碍。然而，唯一的治疗方法是蛋白限制饮食和/或补充一种称为BH4的PAH辅因子。在一项新的研究中，来自美国德克萨斯大学MD安德森癌症中心的研究人员发现了一种关键的新因子，可以调节苯丙氨酸代谢，因而可预防PKU。这一发现还为开发对某些PKU患者有效的新疗法提供了一条可能的途径。相关研究结果发表在2021年8月6日的Science期刊上，论文标题为“A noncoding RNA modulator potentiates phenylalanine metabolism in mice”。

mRNA前体的发夹环。突出显示的是碱基（绿色）和核糖磷酸骨架（蓝色）。请注意，这是一条可以自我折叠的单链RNA。图片来自Vossman/ Wikipedia。

这项研究表明长非编码RNA（lncRNA）HULC直接调节着代谢酶苯丙氨酸羟化酶（phenylalanine hydroxylase, PAH）。在模型系统中，这种lncRNA的缺失导致了过量的苯丙氨酸和与PKU有关的症状，而使用HULC的合成模拟物则恢复了PAH的活性并降低了苯丙氨酸水平。

论文共同通讯作者、德克萨斯大学MD安德森癌症中心分子与细胞肿瘤学副教授Liuqing Yang博士说，“人们越来越重视lncRNA在各种人类疾病中的作用，但这是首次发现一种与PKU有关的lncRNA。我们的研究不仅表明HULC在PKU中起着非常重要的作用，而且我们可能能够将这一发现用于为迫切需要的PKU患者开发新的治疗方法。”

9.Science：揭示控制出生前后小鼠小脑细胞类型发育的遗传程序
doi:10.1126/science.abg4696

长期以来，哺乳动物的小脑几乎只与运动控制有关，然而近期的研究已表明，它也有助于许多更高级的大脑功能。在一项新的研究中，德国海德堡大学分子生物学中心（ZMBH）的Henrik Kaessmann教授、海德堡霍普儿童癌症中心（KiTZ）的Stefan Pfister教授及其团队 如今破解了控制出生前后小脑细胞类型发育的遗传程序。他们将小鼠小脑的数据与负鼠的相应数据进行了比较，揭示了基本的基因调控网络，这些网络在1.6亿多年前的哺乳动物进化的早期阶段已经形成。相关研究结果于2021年7月29日在线发表在Science期刊上，论文标 题为“Developmental and evolutionary dynamics of cis-regulatory elements in mouse cerebellar cells”。

小脑遗传控制元件图谱:大多数控制元件单个细胞类型和发育阶段特异性的。图片来源来自Henrik Kaessmann教授研究团队。

哺乳动物器官的发育是由许多不同的基因--也称为基因表达网络--的微调激活和复杂互动控制的。论文共同第一作者、Kaessmann团队的博士后研究员Mari Sepp博士解释说，“尽管对小脑的发育基因表达已经有了比较好的研究，但其基因控制仍然不为人所知。”在这项 新的研究中，这些作者在细胞水平上绘制了小鼠小脑整个发育期的所有活性基因的控制元件。他们使用最先进的单细胞测序技术来完成这项任务。

在这些数据和生物信息学分析方法的基础上，这些作者随后能够解码控制所有细胞的基因表达网络因而控制小脑发育的调节程序。他们确定了20多万个控制元件，其中大部分对单个细胞类型和发育阶段具有高度的特异性。然而，其中的一些控制元件在多种细胞类型中被 激活，特别是在发育的早期阶段。

为了了解这些基因调控程序的进化，这些作者将小鼠的数据与负鼠的相应数据进行了比较，其中负鼠是一种有袋动物，与小鼠或人类等哺乳动物有着共同的进化祖先，可以追溯到近1.6亿年前。根据Kaessmann教授的说法，这种比较揭示了一种不同类型细胞之间共享的时 间模式。论文共同第一作者、Kaessmann团队博士研究员Ioannis Sarropoulos解释说，“随着发育的进行，每种细胞类型的基因调控程序在不同物种之间的偏差更大。”

10.Science：新技术可在体内快速进行大规模CRISPR筛选
doi:10.1126/science.abi8870

作为一种小型的快速生长的生物，斑马鱼与人类具有很多相同的基因。斑马鱼对许多生物学家来说很重要，因为他们发现斑马鱼非常适合研究一系列问题，从有机体如何发育到神经系统如何驱动行为。如今，在一项新的研究中，来自美国犹他大学、布莱根妇女医院、哈佛医学院和麻省总医院的研究人员开发出一种名为MIC-Drop的新技术，这种技术可使斑马鱼在大规模基因研究方面将变得更加强大。相关研究结果于2021年8月19日在线发表在Science期刊上，论文标题为“MIC-Drop: A platform for large-scale in vivo CRISPR screens”。论文通讯作者为犹他大学药理学与毒理学学系化学生物学家Randall Peterson博士。

MIC-Drop（Multiplexed Intermixed CRISPR Droplets, 多重混合CRISPR液滴）通过将CRISPR系统的组分包装成微观的油包液滴来解决这个问题，这些油包液滴可以在不混合其内含物的情况下混合在一起。为了用MIC-Drop对许多基因进行筛选，Peterson团队首先构建出一个gRNA文库。每个gRNA与Cas9酶一起被包装在自己的液滴中。为了跟踪靶基因，每个油包液滴还包括一个识别其内含物的DNA条形码。

Peterson团队对油包液滴的化学成分进行了微调，以确保它们保持稳定和离散性，因此针对不同基因设计的油包液滴可以混合在一起并装入同一针头。在显微镜下，MIC-Drop使用者将单个油包液滴注射到斑马鱼胚胎中，然后转到下一个胚胎并注射下一个油包液滴。这个过程可以重复数百次，向每个胚胎提供一套CRISPR组分，因此在每个胚胎中，该系统都能灭活单个基因，然后这些作者监测对斑马鱼的潜在影响。

为了展示MIC-Drop的潜力，这些作者测试188个不同的斑马鱼基因在心脏发育中的潜在作用。在构建针对这些基因的gRNA并将CRISPR系统引入数百个斑马鱼胚胎后，他们发现有一些斑马鱼在成熟后出现了心脏缺陷。利用这些斑马鱼体内的DNA条形码，他们能够将这些缺陷追溯到13个不同基因的失活。由于斑马鱼和人类基因之间的相似性，这一发现可能指向人类心脏发育中以前未知的方面。（生物谷 Bioon.com）