2022年即將結(jié)束，在過去的一年里，Science期刊又有哪些亮點研究值得學(xué)習(xí)呢？小編對此進(jìn)行了整理，與各位分享。

1.Science：改寫教科書！大腸桿菌的基因表達(dá)變化幾乎完全發(fā)生在細(xì)胞生長時的轉(zhuǎn)錄階段

doi:10.1126/science.abk2066

分子生物學(xué)的基本原理決定了蛋白是如何在細(xì)胞內(nèi)形成的，這分為兩個階段，即轉(zhuǎn)錄和翻譯。在轉(zhuǎn)錄過程中，儲存在DNA中的信息被復(fù)制到信使RNA（mRNA）中。隨后在翻譯過程中，核糖體根據(jù)mRNA上的指令，一次一個氨基酸地組裝蛋白。對這一過程的理解是如此基礎(chǔ)，以至于從DNA到mRNA再到蛋白的信息流動的方向被稱為分子生物學(xué)的“中心教條”，這是諾貝爾獎得主Francis Crick創(chuàng)造的一個術(shù)語。自20年前系統(tǒng)生物學(xué)問世以來，科學(xué)家們一直試圖根據(jù)基因表達(dá)數(shù)據(jù)確定細(xì)胞如何調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄和翻譯過程：哪些mRNA和蛋白在何種條件下產(chǎn)生的。

調(diào)控大腸桿菌基因表達(dá)的原則。圖片來自Science, 2022, doi:10.1126/science.abk2066。

在一項新的研究中，來自美國加州大學(xué)圣地亞哥分校的研究人員首次發(fā)現(xiàn)，模式細(xì)菌大腸桿菌的基因表達(dá)變化幾乎完全發(fā)生在細(xì)胞生長時的轉(zhuǎn)錄階段。他們提供了一個簡單的定量公式，將調(diào)控控制與mRNA和蛋白水平聯(lián)系起來。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2022年12月9日的Science期刊上，論文標(biāo)題為“Principles of gene regulation quantitatively connect DNA to RNA and proteins in bacteria”。

論文通訊作者、加州大學(xué)圣地亞哥分校物理學(xué)與生物科學(xué)杰出教授Terry Hwa表示，“最終，我們提供的是一種定量關(guān)系，科學(xué)家們可以用它來解釋致病菌如何逃避抗生素治療和宿主免疫。在合成生物學(xué)的背景下，這將允許對細(xì)菌進(jìn)行重新設(shè)計和重新改造，用于檢測和清理有毒廢物，或被送入體內(nèi)殺死癌細(xì)胞。”

2.Science：合成IL-2回路促進(jìn)CAR-T細(xì)胞浸潤免疫抑制性的實體瘤

doi:10.1126/science.aba1624

許多實體瘤對T細(xì)胞療法沒有反應(yīng)，因為它們的免疫抑制性微環(huán)境阻止了T細(xì)胞的浸潤、激活和增殖。主要的腫瘤抑制機(jī)制包括抑制T細(xì)胞受體（TCR）的信號傳導(dǎo)和消耗炎性細(xì)胞因子?？朔种菩阅[瘤微環(huán)境仍然是實體瘤免疫療法的一個主要障礙。

用炎性細(xì)胞因子---比如高劑量的IL-2---補(bǔ)充T細(xì)胞的活性，長期以來一直被認(rèn)為可以驅(qū)動有效的抗腫瘤功能。然而，全身性IL-2治療已被證明具有很強(qiáng)的毒性，會導(dǎo)致嚴(yán)重的不良反應(yīng)，包括毛細(xì)血管滲漏綜合征和最終的終末器官功能障礙。細(xì)胞自主的細(xì)胞因子產(chǎn)生有潛力通過在局部和直接向腫瘤遞送細(xì)胞因子來克服這些毒性。在一項新的研究中，來自美國加州大學(xué)舊金山分校的研究人員設(shè)計出攜帶合成細(xì)胞因子回路的治療性T細(xì)胞，在其中，腫瘤特異性synNotch（synthetic Notch）受體驅(qū)動IL-2的產(chǎn)生。這種靶向腫瘤的IL-2遞送回路提供了一種潛在的方法，可以在局部克服腫瘤抑制，同時將全身性IL-2治療的毒性降到最低。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2022年12月16日的Science期刊上，論文標(biāo)題為“Synthetic cytokine circuits that drive T cells into immune-excluded tumors”。

經(jīng)過基因改造后的治療性T細(xì)胞在腫瘤觸發(fā)IL-2產(chǎn)生后浸潤并清除免疫抑制性的腫瘤。圖片來自Science, 2022, doi:10.1126/science.aba1624。

這些作者察到他們設(shè)計的synNotch誘導(dǎo)IL-2產(chǎn)生的回路（下稱synNotch→IL-2回路）促使嵌合抗原受體（CAR）或TCR T細(xì)胞有效地浸潤到胰腺癌和黑色素瘤的免疫抑制性腫瘤模型中。在這些具有挑戰(zhàn)性的免疫功能的腫瘤模型中，這種浸潤的改善與腫瘤清除率和生存率的大幅提高有關(guān)。與全身遞送IL-2不同，這種局部的IL-2回路不顯示毒性，因為它不依賴于TCR/CAR的激活，但仍靶向腫瘤。

然而，用于遞送IL-2的確切機(jī)制被證明是至關(guān)重要的。與經(jīng)設(shè)計后IL-2組成性表達(dá)或TCR/CAR誘導(dǎo)的IL-2表達(dá)（如來自活化T細(xì)胞核因子（NFAT）啟動子）的CAR-T細(xì)胞相比，攜帶synNotch→IL-2回路的CAR-T細(xì)胞具有更好的抗腫瘤效果。此外，這些作者發(fā)現(xiàn)，IL-2的自分泌產(chǎn)生，即同一T細(xì)胞表達(dá)CAR/TCR和synNotch→IL-2回路，被證明是至關(guān)重要的。IL-2的旁分泌遞送，即CAR-T細(xì)胞受到攜帶synNotch→IL-2回路的獨立T細(xì)胞支持，在存在競爭性的內(nèi)源性IL-2消耗細(xì)胞（即消耗IL-2的細(xì)胞）---比如宿主調(diào)節(jié)性T細(xì)胞或旁觀者T細(xì)胞---時，被證明是無效的。

高維免疫分析顯示這種IL-2合成細(xì)胞因子回路主要作用于T細(xì)胞群體，而不會對其他免疫細(xì)胞區(qū)室造成明顯變化。CAR-T細(xì)胞和宿主旁觀者T細(xì)胞對腫瘤的浸潤都明顯增加。然而，只有抗腫瘤的CAR-T細(xì)胞顯示出增加的激活、增殖和細(xì)胞毒性標(biāo)志物，以及下降的衰竭標(biāo)志物。

這些作者猜測這種synNotch→IL-2回路是有效的，因為它繞過了對TCR/CAR激活的要求，并以更強(qiáng)有力的自分泌方式提供IL-2。因此，這些特征使得工程化T細(xì)胞能夠克服腫瘤免疫抑制的主要模式：抑制TCR信號傳遞和競爭性細(xì)胞因子消耗。這些工程化T細(xì)胞似乎充當(dāng)了先鋒，通過它們的由synNotch誘導(dǎo)的IL-2產(chǎn)生在腫瘤中引發(fā)增殖，然后協(xié)同性地啟動CAR/TCR介導(dǎo)的持續(xù)性T細(xì)胞激活和殺傷。

3.Science：重大進(jìn)展！發(fā)現(xiàn)IFITM蛋白促進(jìn)細(xì)胞高效攝取更大的連接藥物分子

doi:10.1126/science.abl5829

在一項新的研究中，來自美國加州大學(xué)舊金山分校的Kevan Shokat團(tuán)隊和Luke Gilbert團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)了一種細(xì)胞攝取途徑，它對由連接亞基組成的較大藥物分子特別重要。這一知識可以被用來構(gòu)建新的藥物，盡管它們很大很復(fù)雜以便與它們的靶標(biāo)進(jìn)行最佳結(jié)合，但卻能被靶細(xì)胞高效攝取。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2022年12月9日的Science期刊上，論文標(biāo)題為“IFITM proteins assist cellular uptake of diverse linked chemotypes”。

這些作者發(fā)現(xiàn)，與對未連接的藥物分子的反應(yīng)相比，實驗性連接抗癌藥物RapaLink-1對一些基因操縱的反應(yīng)截然不同，這意味著與傳統(tǒng)的小藥物分子相比，RapaLink-1依賴于不同的細(xì)胞進(jìn)入和/或藥物作用途徑。令人鼓舞的是，許多結(jié)果相互加強(qiáng)：抑制一個特定的基因可能導(dǎo)致細(xì)胞對該藥物的抵抗力，而激活同一基因則會促進(jìn)對該藥物的敏感化。

RapaLink-1化學(xué)結(jié)構(gòu)式，圖片來自Nature, 2022, doi:10.1038/s41586-022-05213-y。

最引人注目的結(jié)果是一組三個密切相關(guān)的基因，它們似乎能促進(jìn)RapaLink-1的活性，但對未連接的藥物分子沒有影響。這些基因編碼IFITM蛋白，它們因在抗病毒防御中的作用而聞名，但此前沒有證據(jù)表明它們會影響藥物的作用方式。僅僅通過調(diào)節(jié)IFITM蛋白的水平，這些作者就能極大地改變RapaLink-的效力約30倍。

這些作者觀察了659種不同的細(xì)胞類型，發(fā)現(xiàn)IFITM的表達(dá)水平與對RapaLink-1的敏感性之間有很強(qiáng)的相關(guān)性，支持它在不同類型的細(xì)胞中發(fā)揮普遍作用。通過擴(kuò)大到17種不同的連接藥物分子和未連接的藥物分子，他們確定，IFITM基因表達(dá)的影響在不同類型的連接藥物分子中是一致的。

4.Science：揭示全能性先驅(qū)因子Nr5a2激活受精卵基因組機(jī)制

doi:10.1126/science.abn7478

精子使卵子受精是新生命的開始。母體和父體的遺傳信息，共同儲存了有機(jī)體的身體構(gòu)造，在受精后結(jié)合在一起。然而，在這個生命的早期階段，DNA在細(xì)胞核中仍處于非活性狀態(tài)。雖然受精卵細(xì)胞的第一次分裂是在儲存在卵子中的母體因子的幫助下進(jìn)行的，但是新的胚胎產(chǎn)物的合成對于胚胎的進(jìn)一步發(fā)育是必要的，這需要接觸到胚胎DNA。在一項新的研究中，德國馬克斯普朗克生物化學(xué)研究所的Kikuë Tachibana和她的研究團(tuán)隊證實全能性先鋒因子Nr5a2激活了胚胎DNA。相關(guān)研究結(jié)果于2022年11月24日在線發(fā)表在Science期刊上，論文標(biāo)題為“Zygotic genome activation by the totipotency pioneer factor Nr5a2”。

論文共同第一作者、馬克斯普朗克生物化學(xué)研究所顯微鏡和生物信息學(xué)專家Imre Gáspár解釋說，“我們?yōu)榕咛ブ挟a(chǎn)生的早期mRNA分子尋找共同的序列模式，并且能夠找到幾個序列基序。我們發(fā)現(xiàn)的序列基序相互接近，形成了一個所謂的超級基序（supermotif）。這個新發(fā)現(xiàn)的超級基序類似于已知的序列基序SINE B1元件，與人類基因組中高度保守的ALU元件有非常密切的關(guān)系。這些元件也被稱為‘跳躍基因’，因為它們可以在某些細(xì)胞階段（比如早期胚胎）從基因組的一個位置移動到另一個位置。”

Nr5a2結(jié)合這個超級基序。論文共同第一作者、馬克斯普朗克生物化學(xué)研究所胚胎學(xué)家Johanna Gassler說，“最初，Nr5a2是在肝臟中發(fā)現(xiàn)的。在發(fā)育生物學(xué)領(lǐng)域，人們知道Nr5a2在胚胎植入的后期階段很重要。Nr5a2在受精后究竟有多重要還不知道。在我們的實驗中，我們能夠發(fā)現(xiàn)一旦Nr5a2被阻斷，大多數(shù)早期胚胎mRNA分子就不再產(chǎn)生。此外，胚胎的進(jìn)一步發(fā)育也受到了抑制。這表明，Nr5a2在胚胎發(fā)育的最早階段發(fā)揮著核心作用。”

5. Science：發(fā)現(xiàn)RNA結(jié)合蛋白FMRP讓腫瘤逃避免疫系統(tǒng)的識別并對免疫療法產(chǎn)生抵抗性

doi:10.1126/science.abl7207

在一項新的研究中，來自瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院、伯爾尼大學(xué)和洛桑大學(xué)醫(yī)院等研究機(jī)構(gòu)的研究人員發(fā)現(xiàn)了一種蛋白在幫助腫瘤逃避免疫破壞方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。這種被命名為“脆性X智力遲鈍蛋白（fragile X mental retardation protein, FMRP）”的RNA結(jié)合蛋白調(diào)控著腫瘤微環(huán)境中的一個基因和細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)，有助于提高它“躲避”免疫細(xì)胞的能力。正常情況下，F(xiàn)MRP參與調(diào)節(jié)蛋白翻譯和神經(jīng)元中mRNA的穩(wěn)定性。但是他們發(fā)現(xiàn)，它在多種類型的癌癥中發(fā)生異常地上調(diào)。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2022年11月18日的Science期刊上，論文標(biāo)題為“Aberrant hyperexpression of the RNA binding protein FMRP in tumors mediates immune evasion”。

FMRP能使腫瘤逃避免疫系統(tǒng)的攻擊。圖片來自Science, 2022, doi:10.1126/science.abl7207。

在這項新的研究中，這些作者使用了著名的CRISPR-Cas9基因編輯技術(shù)，敲除了由小鼠胰腺、結(jié)腸、乳腺和皮膚黑色素細(xì)胞引起的癌細(xì)胞中產(chǎn)生FMRP的基因（名為FMR1）。然后，他們將敲除FMRP的癌細(xì)胞與仍有FMR1基因并因此表達(dá)FMRP蛋白的癌細(xì)胞進(jìn)行比較。

他們評估了含有FMRP基因敲除癌細(xì)胞的小鼠和FMRP陽性野生型癌細(xì)胞的小鼠的存活率，首先在免疫系統(tǒng)受到損害的小鼠中進(jìn)行。他們的比較結(jié)果顯示這兩組小鼠具有類似的存活率。值得注意的是，當(dāng)他們將基因敲除腫瘤與免疫系統(tǒng)正常運作的小鼠體內(nèi)生長的野生型腫瘤進(jìn)行比較時，他們發(fā)現(xiàn)沒有FMRP的腫瘤生長速度較慢，而它們的存活時間更長。

這部分研究顯示的是，F(xiàn)MRP并不參與刺激腫瘤生長本身，而是與適應(yīng)性免疫系統(tǒng)（我們用疫苗“訓(xùn)練”的那部分免疫系統(tǒng)）有關(guān)。

他們的觀察結(jié)果---野生型腫瘤很少有浸潤性T細(xì)胞，而FMRP基因敲除腫瘤則高度發(fā)炎---進(jìn)一步證實了這一點。剔除FMRP基因敲除的腫瘤中的T細(xì)胞導(dǎo)致它們開始更快速地生長，并降低了小鼠的存活率，這意味著FMRP以某種方式參與了腫瘤對免疫系統(tǒng)的逃避。

6. Science：靶向過度活躍的腦細(xì)胞的新型基因療法有望治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病

doi:10.1126/science.abq6656

在一項新的研究中，來自英國倫敦大學(xué)學(xué)院的研究人員開發(fā)出一種治療神經(jīng)和精神疾病的新方法，該方法通過降低過度活躍的腦細(xì)胞的放電而發(fā)揮作用。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2022年11月4日的Science期刊上，論文標(biāo)題為“On-demand cell-autonomous gene therapy for brain circuit disorders”。

論文共同通訊作者、倫敦大學(xué)學(xué)院皇后廣場神經(jīng)學(xué)研究所的Gabriele Lignani博士說，“我們發(fā)明了一種新的基因療法，它只在過度活躍的腦細(xì)胞中開啟而發(fā)揮作用，如果它們恢復(fù)正常，它就自行關(guān)閉。我們利用了某些DNA序列的能力來控制基因表達(dá)，以響應(yīng)代謝信號。通過重新引導(dǎo)這種活躍感應(yīng)機(jī)制來驅(qū)動阻止腦細(xì)胞放電的分子的產(chǎn)生，我們發(fā)現(xiàn)癲癇發(fā)作可以得到抑制。”

為了開發(fā)這種新的基因療法，這些作者篩選了幾個已知能對刺激作出反應(yīng)而被激活的基因，并將它們的啟動子與因能夠減少神經(jīng)細(xì)胞放電而被選中的鉀離子通道偶聯(lián)在一起。這種啟動子-鉀離子通道的組合使用在小鼠體內(nèi)和在培養(yǎng)皿里培養(yǎng)的微型大腦樣結(jié)構(gòu)（即大腦類器官）中進(jìn)行了測試，這種大腦類器官是用皮膚衍生的人類干細(xì)胞制造的。

他們發(fā)現(xiàn)即時早期基因cfos啟動子與KCNA1鉀離子通道基因的組合使用經(jīng)證實在誘導(dǎo)癲癇發(fā)作后能高度有效地抑制神經(jīng)元放電，也能抑制自發(fā)性癲癇發(fā)作，而對認(rèn)知能力沒有任何負(fù)面影響。

這種新的治療方法比以前在同一模型中測試的基因療法或抗癲癇藥物更有效，可使得癲癇小鼠的自發(fā)性癲癇發(fā)作減少了約80%。這些作者表示，這種新的基因療法最終在理論上也可能用于治療其他一些腦細(xì)胞過度活躍的疾病，如帕金森病。

7.Science：重大進(jìn)展！解析丙型肝炎病毒E1E2蛋白復(fù)合物的三維結(jié)構(gòu)

doi:10.1126/science.abn9884

在一項新的研究中，來自美國斯克里普斯研究所、荷蘭阿姆斯特丹大學(xué)和英國南安普敦大學(xué)的研究人員在病毒學(xué)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了一個重要目標(biāo)：在高分辨率下繪制了丙型肝炎病毒（HCV）表面上的使得這種病毒能夠進(jìn)入宿主細(xì)胞的關(guān)鍵蛋白的結(jié)構(gòu)。這一發(fā)現(xiàn)詳細(xì)說明了這種病毒表面上的關(guān)鍵脆位點，如今可以利用疫苗高效靶向這些位點。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2022年10月21日的Science期刊上，論文標(biāo)題為“Structure of the hepatitis C virus E1E2 glycoprotein complex”。

這些作者發(fā)現(xiàn)他們可以組合使用三種廣泛中和抗HCV抗體來穩(wěn)定E1E2復(fù)合物的天然構(gòu)象。廣義中和抗體是那些能夠防止廣泛的病毒毒株的抗體，通過與病毒表面上相對無變化的位點結(jié)合來中斷病毒生命周期。他們使用低溫電子鏡對用抗體穩(wěn)定的E1E2蛋白復(fù)合物進(jìn)行了成像。在先進(jìn)的圖像分析軟件的幫助下，他們能夠構(gòu)建出E1E2復(fù)合物的結(jié)構(gòu)圖，其清晰度和廣度是前所未有的---接近原子尺度的分辨率。

全長HCV包膜糖蛋白E1E2異源二聚體與廣泛中和抗體AT1209、IGH505和AR4A結(jié)合在一起時的低溫電鏡處理流程。圖片來自Science, 2022, doi:10.1126/science.abn9884。

這種結(jié)構(gòu)圖揭示的細(xì)節(jié)包括大部分的E1和E2蛋白結(jié)構(gòu)，包括關(guān)鍵的E1/E2界面，以及三個抗體結(jié)合點。這些結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)還闡明了位于E1E2頂部的一系列與糖有關(guān)的“聚糖”分子。病毒經(jīng)常使用聚糖來保護(hù)自己不受受感染宿主的免疫系統(tǒng)的影響，但在這項新的研究中，這些結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)顯示HCV的聚糖顯然有另一個關(guān)鍵作用：幫助將脆弱的E1E2復(fù)合物固定在一起。掌握E1E2復(fù)合物的這些細(xì)節(jié)將有助于科學(xué)家們合理地設(shè)計一種有力地激發(fā)廣泛中和抗體來阻止HCV感染的疫苗。

8. Science：重大進(jìn)展！揭示MTCH2是線粒體外膜蛋白插入酶

doi:10.1126/science.add1856

線粒體外膜上的蛋白尤其重要；它們允許線粒體與細(xì)胞的其他部分進(jìn)行交流，并在免疫功能和一種稱為細(xì)胞凋亡的程序性細(xì)胞死亡中發(fā)揮作用。在進(jìn)化的過程中，細(xì)胞演化出一種特定的機(jī)制，將這些在細(xì)胞質(zhì)中制造的蛋白插入線粒體膜中。但這種機(jī)制是什么，以及哪些細(xì)胞參與者參與其中，長期以來一直是個謎。

在一項新的研究中，來自美國麻省理工學(xué)院懷特黑德研究所和加州理工學(xué)院的研究人員為這個謎團(tuán)提供了一個解決方案。他們揭示一種與許多細(xì)胞過程、甚至癌癥和阿爾茨海默病等疾病有關(guān)的蛋白---MTCH2（mitochondrial carrier homolog 2）---充當(dāng)各種蛋白進(jìn)入線粒體外膜的門戶，它是線粒體外膜蛋白插入酶。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2022年10月21日的Science期刊上，論文標(biāo)題為“MTCH2 is a mitochondrial outer membrane protein insertase”。

論文共同通訊作者、懷特黑德研究所成員Jonathan Weissman說，“在此之前，沒有人知道MTCH2到底在做什么---人們只知道，當(dāng)失去它時，所有這些不同的事情都會發(fā)生在細(xì)胞上。為什么這種蛋白會影響這么多不同的過程，這有點像一個謎。這項新的研究為理解為什么MTCH2與阿爾茨海默病、脂質(zhì)生物合成和線粒體裂變和融合有關(guān)提供了分子基礎(chǔ)：因為它負(fù)責(zé)在線粒體外膜上插入所有這些不同類型的蛋白。”

論文共同通訊作者、加州理工學(xué)院的Rebecca Voorhees教授說，“我們實驗室之間的合作對于理解這種相互作用的生物化學(xué)至關(guān)重要，并導(dǎo)致了對細(xì)胞生物學(xué)中一個基本問題的真正令人興奮的新理解。”

9. Science：挑戰(zhàn)常規(guī)！衰老細(xì)胞并非都是有害的，特定衰老細(xì)胞亞群可激活附近的干細(xì)胞，促進(jìn)組織損傷修復(fù)

doi:10.1126/science.abf3326

在一項新的研究中，來自美國加州大學(xué)舊金山分校的研究人員發(fā)現(xiàn)并不是所有的衰老細(xì)胞都是有害的應(yīng)該被消滅以防止年齡相關(guān)疾病的“僵尸細(xì)胞（zombie cell）”，而且其中的一些衰老細(xì)胞嵌入年輕、健康的組織中，并促進(jìn)損傷的正常修復(fù)。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2022年10月14日的Science期刊上，論文標(biāo)題為“Sentinel p16INK4a+ cells in the basement membrane form a reparative niche in the lung”。

這些作者如今觀察到一部分衰老細(xì)胞在肺部組織以及其他作為身體屏障的器官（比如小腸、結(jié)腸和皮膚）中發(fā)揮作用。當(dāng)他們使用稱為senolytics（衰老細(xì)胞裂解藥物）的藥物來殺死這些細(xì)胞時，肺部組織的損傷愈合得更慢。

為了給他們的研究構(gòu)建一種更強(qiáng)大的工具，論文第一作者、加州大學(xué)舊金山分校博士后學(xué)者Nabora Reyes de Barboza博士及其同事們改進(jìn)了一種常見的技術(shù)，將一個相關(guān)的基因---在這項新的研究中是在衰老細(xì)胞中過度活躍的p16基因---與作為一種標(biāo)記物在紫外光照射下顯示細(xì)胞位置的綠色熒光蛋白（GFP）融合在一起。通過增加這些衰老細(xì)胞中GFP的數(shù)量和穩(wěn)定性，Reyes極大地放大了它產(chǎn)生的熒光信號，最終使得他們能夠在活體組織的天然環(huán)境中觀察到衰老細(xì)胞。

利用這種高度敏感的工具，這些作者發(fā)現(xiàn)，衰老細(xì)胞存在于年輕和健康的組織中，其程度比以前想象的要大，而且實際上在出生后不久就開始出現(xiàn)了。他們還確定了衰老細(xì)胞分泌的用來刺激干細(xì)胞生長和修復(fù)組織的特定生長因子。與衰老和組織損傷相關(guān)的是發(fā)現(xiàn)免疫系統(tǒng)中的細(xì)胞，比如巨噬細(xì)胞和單核細(xì)胞，可以激活衰老細(xì)胞，這表明在衰老或受損組織中看到的炎癥是衰老細(xì)胞活動和再生的一個重要調(diào)節(jié)因素。

在對肺部組織的研究中，Peng及其團(tuán)隊觀察到發(fā)出綠色熒光的衰老細(xì)胞位于基底膜上的干細(xì)胞旁邊，基底膜是防止外來細(xì)胞和有害化學(xué)物進(jìn)入身體的屏障，也允許氧氣從肺部空氣中擴(kuò)散到下面的組織。損傷可能發(fā)生在這個動態(tài)界面。該團(tuán)隊在小腸、結(jié)腸和皮膚等其他屏障器官的類似位置中觀察到了衰老細(xì)胞，而且他們的實驗證實，如果用senolytics殺死衰老細(xì)胞，肺干細(xì)胞就無法正常修復(fù)屏障表面。加州大學(xué)舊金山分校巴卡老齡化研究所主任、實驗病理學(xué)教授Leanne Jones博士說，Peng的研究對老齡化研究領(lǐng)域確實意義重大，該領(lǐng)域的目標(biāo)是幫助人們活得更長久、更健康。

10. Science：重大進(jìn)展！發(fā)現(xiàn)讓細(xì)胞骨架主要組分肌動蛋白成熟的神秘基因---ACTMAP

doi:10.1126/science.abq5082

荷蘭癌癥研究所遺傳學(xué)者Thijn Brummelkamp在被問及為何他擅長追蹤其他人沒有發(fā)現(xiàn)的蛋白和基因時回答說，“我非常善于大海撈針”，盡管有些蛋白和基因在長達(dá)40年的時間里仍然難以捉摸。在一項新的研究中，Brummelkamp及其團(tuán)隊再次成功追蹤到了這些“神秘基因”中的一個：確保最終形式的肌動蛋白生成的基因。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2022年9月30日的Science期刊上，論文標(biāo)題為“Actin maturation requires the ACTMAP/C19orf54 protease”。

微管蛋白去酪氨酸化是由不同的MATCAP和vasohibin去酪氨酸酶進(jìn)行的。圖片來自Science, 2022, doi:10.1126/science.abn6020。

正如Brummelkamp團(tuán)隊在Science期刊上所描述的那樣，在一種蛋白成熟之前并且能夠在細(xì)胞中完全發(fā)揮它的功能之前，它通常必須先被移除一個特定的氨基酸。然后，這個氨基酸被一把分子剪刀從這種蛋白上剪掉。這也是發(fā)生在肌動蛋白中的情況。人們知道這個相關(guān)的氨基酸--- N末端乙酰化蛋氨酸---是在肌動蛋白的哪一側(cè)被剪掉的。然而，沒有人成功找到在這個過程中充當(dāng)分子剪刀的酶。

Brummelkamp團(tuán)隊的博士后Peter Haahr進(jìn)行了以下實驗：首先他在隨機(jī)單倍體細(xì)胞中引入隨機(jī)突變（錯誤）。然后，他通過在這些細(xì)胞中添加熒光標(biāo)記的抗體來選擇含有未成熟肌動蛋白的細(xì)胞，所添加的抗體正好結(jié)合這個氨基酸被移除的位置。作為第三步，也是最后一步，他研究了在這一過程后哪個基因發(fā)生突變。

Haahr追蹤到了從肌動蛋白上剪除這個必需氨基酸的分子剪刀。這種分子剪刀原來是由一個先前功能未知的沒有人之前研究過的基因控制的。這意味著Brummelkamp團(tuán)隊能夠自己為這個基因命名，他們命名為ACTMAP（ACTin MAturation Protease，肌動蛋白成熟蛋白酶）。

為了測試ACTMAP的缺乏是否會導(dǎo)致有機(jī)體出現(xiàn)問題，他們關(guān)閉了小鼠體內(nèi)的這個基因。他們觀察到，這些小鼠的細(xì)胞骨架中的肌動蛋白仍未成熟，正如預(yù)期的那樣。他們驚訝地發(fā)現(xiàn)，這些小鼠確實活了下來，但卻遭受了肌肉無力。

11. 重大進(jìn)展！兩篇Science論文發(fā)現(xiàn)與病毒感染和遺傳性代謝疾病相關(guān)的關(guān)鍵蛋白---LYSET

doi:10.1126/science.abn5648; doi: 10.1126/science.abn5637

溶酶體是細(xì)胞中至關(guān)重要的的降解區(qū)室?？扇苄悦皋D(zhuǎn)運溶酶體中依賴于GlcNAc-1磷酸轉(zhuǎn)移酶介導(dǎo)的可溶性酶標(biāo)記上甘露糖-6-磷酸。GlcNAc-1磷酸轉(zhuǎn)移酶的缺乏導(dǎo)致了嚴(yán)重的溶酶體儲存障礙粘脂貯積病II型（MLII）。一些病毒需要溶酶體組織蛋白酶來裂解結(jié)構(gòu)蛋白，因此依賴于功能性GlcNAc-1磷酸轉(zhuǎn)移酶。

在一項新的研究中，來自美國斯坦福大學(xué)、德國漢堡大學(xué)醫(yī)學(xué)中心和基爾大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)的研究人員尋找了RNA病毒（比如SARS-CoV-2）復(fù)制所必需的的宿主因子。為此，他們在體外培養(yǎng)的人類細(xì)胞中進(jìn)行了全基因組CRISPR/Cas敲除篩選，以探究哪些細(xì)胞在感染某些病毒后能夠存活下來。相關(guān)研究結(jié)果于2022年9月8日在線發(fā)表在Science期刊上，論文標(biāo)題為“The human disease gene LYSET is essential for lysosomal enzyme transport and viral infection”。

這些作者在這項新的研究中確定了溶酶體酶轉(zhuǎn)運因子（LYSET）對依賴組織蛋白酶的病毒（包括SARS-CoV-2）的感染至關(guān)重要，而在此之前，它的功能是未知的。它對溶酶體的正常運作至關(guān)重要，并使人們能夠深入了解一種罕見的溶酶體儲存障礙的產(chǎn)生。LYSET的缺乏導(dǎo)致M6P標(biāo)記的全面喪失和GlcNAc-1磷酸轉(zhuǎn)移酶從高爾基體到溶酶體的錯誤定位。Lyset敲除小鼠表現(xiàn)出類似MLII的表型，而且人類致病的LYSET等位基因未能恢復(fù)溶酶體分選缺陷。因此，LYSET是M6P轉(zhuǎn)運機(jī)制正確運作所必需的，而LYSET的突變可以解釋相關(guān)疾病的表型。

與此同時，在第二項新的研究中，來自德國癌癥研究中心和奧地利維也納生物中心的研究人員通過在確定的營養(yǎng)條件下的遺傳篩選確定了LYSET的特征。他們發(fā)現(xiàn)LYSET在高爾基體中與GlcNAc-1磷酸轉(zhuǎn)移酶結(jié)合在一起，后者通過甘露糖-6-磷酸修飾將分解酶靶向到溶酶體中。如果沒有LYSET，GlcNAc-1磷酸轉(zhuǎn)移酶因具有一個親水的跨膜結(jié)構(gòu)域而變得不穩(wěn)定。因此，LYSET缺乏的細(xì)胞缺乏溶酶體酶，并在巨胞飲和自噬貨物的周轉(zhuǎn)方面受到損害。相關(guān)研究結(jié)果于2022年9月8日在線發(fā)表在Science期刊上，論文標(biāo)題為“Lysosomal enzyme trafficking factor LYSET enables nutritional usage of extracellular proteins”。

鑒于哺乳動物細(xì)胞可以通過巨胞飲作用（macropinocytosis）和溶酶體對胞外蛋白的分解產(chǎn)生氨基酸，癌細(xì)胞利用這一點在營養(yǎng)不良的腫瘤中生長，LYSET代表了溶酶體酶轉(zhuǎn)運途徑的一個核心成分，是遺傳性溶酶體儲存障礙的病理機(jī)制的基礎(chǔ)，并可能代表一種抑制癌癥中代謝適應(yīng)的靶標(biāo)。

12. Science：重大進(jìn)展！首次通過在人體中接種疫苗誘導(dǎo)針對HIV的廣泛中和抗體前體分子產(chǎn)生

doi:10.1126/science.add6502

人們通常認(rèn)為為了使HIV疫苗廣泛有效，它必須刺激人體產(chǎn)生能夠中和一系列HIV病毒毒株的抗體，即廣泛中和抗體（bnAb）。如今科學(xué)家們說，他們已經(jīng)朝著這個方向邁出了重要的一步。

在一項新的初步研究中，來自美國國家過敏與傳染病研究所、斯克里普斯研究所、弗雷德-哈金森癌癥研究中心和華盛頓大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)的研究人員發(fā)現(xiàn)一種實驗性HIV疫苗能夠誘導(dǎo)產(chǎn)生針對HIV的bnAb抗體所必需的人體免疫系統(tǒng)反應(yīng)。這是首次證實一種疫苗能夠在人類身上做到這一點。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2022年12月2日的Science期刊上，論文標(biāo)題為“Vaccination induces HIV broadly neutralizing antibody precursors in human”。

圖片來自Science, 2022, doi:10.1126/science.add6502。

這項新的研究以48名健康成年人為研究對象，這些參與者接受了兩劑實驗性HIV疫苗或者兩劑安慰劑（非活性物質(zhì)）。在36名接種這種實驗性HIV疫苗的參與者中，35人顯示罕見的產(chǎn)生針對HIV的bnAb抗體前體分子的稱為B細(xì)胞的免疫細(xì)胞大幅增加。這一成就是“概念上的證明”，表明一種疫苗有可能誘發(fā)這種反應(yīng)。

這項新研究測試的一種實驗性HIV疫苗被稱為eOD-GT8 60mer。它是一種能引起免疫反應(yīng)的工程化免疫原。它被設(shè)計用來刺激和擴(kuò)大某些罕見的有潛力產(chǎn)生抗擊HIV的bnAb抗體的B細(xì)胞。

在接受這種實驗性HIV疫苗的36名志愿者中，沒有任何安全問題。除了一個人之外，所有的人都表現(xiàn)出了這些作者尋找的免疫反應(yīng)。McElrath和Kelley都說，這是一個必要的步驟。但是這只是一個復(fù)雜過程中的第一步。

13. Science：基因編輯大牛張鋒教授新成果！在微生物中首次發(fā)現(xiàn)新的防御系統(tǒng)：微生物STAND ATPase直接識別病毒蛋白，并殺死受感染的微生物細(xì)胞

doi:10.1126/science.abm4096

細(xì)菌使用多種防御策略來抵御病毒感染，其中的一些策略已經(jīng)導(dǎo)致了突破性的技術(shù)，如基于CRISPR的基因編輯。科學(xué)家們預(yù)測，在微生物世界中還有許多抗病毒武器有待發(fā)現(xiàn)。

在一項新的研究中，來自美國布羅德研究所和麻省理工學(xué)院的研究人員發(fā)現(xiàn)了這些未開發(fā)的微生物防御系統(tǒng)之一，并確定了它的特征。他們發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌和古生菌---合稱原核生物---中的某些蛋白以令人驚訝的直接方式檢測病毒，識別病毒的關(guān)鍵部分并導(dǎo)致這些受感染的單細(xì)胞生物自殺，以抑制微生物群落中的感染。這項研究是第一次在原核生物中看到這種機(jī)制，并表明所有三個生命領(lǐng)域的生物--細(xì)菌、古生菌和真核生物（包括植物和動物）---都使用保守的病毒蛋白的模式識別來抵御病原體。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2022年8月12日的Science期刊上，論文標(biāo)題為“Prokaryotic innate immunity through pattern recognition of conserved viral proteins”。

原核生物NLR樣防御蛋白的機(jī)制與結(jié)構(gòu)。圖片來自Science, 2022, doi:10.1126/science.abm4096。

論文通訊作者、布羅德研究所核心成員和麻省理工學(xué)院麥戈文研究所研究員張鋒（Feng Zhang）教授說，“這項新的研究展示了模式識別如何在非常不同的生物中出現(xiàn)顯著的統(tǒng)一性。在一項研究中整合遺傳學(xué)、生物信息學(xué)、生物化學(xué)和結(jié)構(gòu)生物學(xué)方法，以了解這個迷人的分子系統(tǒng)，這是非常令人興奮的。”

14. Science：新研究發(fā)現(xiàn)透明質(zhì)酸喚醒肌肉干細(xì)胞來修復(fù)肌肉損傷

doi:10.1126/science.abm9735

在受損的肌肉中，肌肉干細(xì)胞必須與免疫細(xì)胞一起工作以完成修復(fù)過程，然而這些細(xì)胞如何協(xié)調(diào)以確保在制造新的肌纖維之前有效地清除死亡組織，仍然是未知數(shù)。在一項新的研究中，來自加拿大渥太華大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)的研究人員揭示了控制肌肉修復(fù)的一種獨特的細(xì)胞通信形式。他們發(fā)現(xiàn)，一種用于化妝品和骨關(guān)節(jié)炎注射的叫做透明質(zhì)酸（hyaluronic acid）的天然物質(zhì)是控制這種基本相互作用的關(guān)鍵分子。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2022年8月5日的Science期刊上，論文標(biāo)題為“JMJD3 activated hyaluronan synthesis drives muscle regeneration in an inflammatory environment”。

論文通訊作者、渥太華大學(xué)教授Jeffrey Dilworth博士說，“當(dāng)肌肉受損時，免疫細(xì)胞迅速進(jìn)入這種組織并在肌肉干細(xì)胞開始修復(fù)之前清除損傷是非常重要的。我們的研究顯示，肌肉干細(xì)胞已準(zhǔn)備好立即開始修復(fù)，但免疫細(xì)胞將這些干細(xì)胞維持在靜止?fàn)顟B(tài)，同時完成清理工作。大約40小時后，一旦清理工作完成，肌肉干細(xì)胞的內(nèi)部警報就會響起，使它們能夠醒來并開始修復(fù)。”

Dilworth博士及其研究團(tuán)隊確定透明質(zhì)酸是這個內(nèi)部警報的關(guān)鍵成分，它告訴肌肉干細(xì)胞何時醒來。當(dāng)肌肉損傷發(fā)生時,肌肉干細(xì)胞開始產(chǎn)生并給自己涂上透明質(zhì)酸。一旦這種涂層變得足夠厚，它就會阻止免疫細(xì)胞的休眠信號，并導(dǎo)致肌肉干細(xì)胞醒來。

Dilworth團(tuán)隊利用小鼠和人體組織，還發(fā)現(xiàn)了肌肉干細(xì)胞如何利用Has2基因上的表觀遺傳標(biāo)志控制透明質(zhì)酸的產(chǎn)生。具體而言，他們確定了表觀遺傳酶KDM6B/JMJD3在肌肉修復(fù)過程中建立肌肉干細(xì)胞和浸潤免疫細(xì)胞之間通信的重要作用。他們發(fā)現(xiàn)，在應(yīng)對肌肉損傷時，KDM6B/JMJD3去除轉(zhuǎn)錄抑制性組蛋白修飾H3K27me3，使肌肉干細(xì)胞產(chǎn)生透明質(zhì)酸，然后所產(chǎn)生的透明質(zhì)酸被整合到肌肉干細(xì)胞的胞外基質(zhì)中。胞外基質(zhì)的這種重塑使肌肉干細(xì)胞能夠接受來自浸潤免疫細(xì)胞的信號，從而啟動肌肉再生。

15. Science：揭示IL-17促進(jìn)受損上皮組織修復(fù)機(jī)制

doi:10.1126/science.abg9302

損傷損害了我們的上皮屏障，使其容易受到外部威脅。因此，有機(jī)體的存活取決于損傷后上皮屏障的快速重建。免疫力低下的人和免疫缺陷的動物均存在著嚴(yán)重的上皮修復(fù)缺陷。然而，損傷后免疫-上皮交談的確切機(jī)制和后果仍未完全確定。

上皮修復(fù)需要細(xì)胞通過進(jìn)化上保守的缺氧誘導(dǎo)因子（hypoxia-inducible factor, HIF）來適應(yīng)缺氧的傷口微環(huán)境。長期以來，人們認(rèn)為這種反應(yīng)取決于上皮細(xì)胞對缺氧的自主感應(yīng)和通過HIF的反應(yīng)能力。然而，在上皮修復(fù)過程中，來自免疫細(xì)胞的支持性微環(huán)境信號是否以及如何與古老的缺氧反應(yīng)相互作用，還有待于探索。為了解決這些問題，來自美國紐約大學(xué)的研究人員在一項新的研究中著重關(guān)注一類主要的上皮屏障---皮膚，它受到免疫細(xì)胞的監(jiān)視，并已進(jìn)化出復(fù)雜的修復(fù)機(jī)制。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2022年7月8日的Science期刊，論文標(biāo)題為“Interleukin-17 governs hypoxic adaptation of injured epithelium”。

IL-17通過糖酵解驅(qū)動上皮細(xì)胞HIF1α為傷口修復(fù)提供燃料。圖片來自Science, 2022, doi:10.1126/science.abg9302。

通過對修復(fù)相關(guān)的淋巴細(xì)胞進(jìn)行無偏見的分析，這些作者發(fā)現(xiàn)了17型淋巴細(xì)胞的異質(zhì)性群體的富集。缺少RORγt+細(xì)胞的純合子Rorgt-EGFP小鼠（下稱GFI-KI小鼠）在上皮遷移和傷口再上皮化方面表現(xiàn)出明顯的缺陷。損傷后，他們觀察到預(yù)先存在的皮膚駐留RORγt+細(xì)胞出現(xiàn)快速局部擴(kuò)張，足以驅(qū)動修復(fù)。在眾多傷口RORγt+細(xì)胞群體中，空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)和功能研究顯示，類先天性γδT細(xì)胞（innate-like γδ T cell）通過定位到傷口前沿并促進(jìn)上皮細(xì)胞遷移來指導(dǎo)組織修復(fù)。這些類先天性γδT細(xì)胞在傷口微環(huán)境中主要產(chǎn)生IL-17A/F，它通過IL-17RC直接向上皮細(xì)胞發(fā)出信號，誘導(dǎo)遷移程序。

16. Science：新研究揭示血細(xì)胞中的Y染色體丟失導(dǎo)致男性比女性更早死亡

doi:10.1126/science.abn3100

男性血細(xì)胞中的Y染色體丟失與疾病和死亡率有關(guān)，但尚未發(fā)現(xiàn)明確的因果關(guān)系。如今，在一項新的研究中，來自瑞典烏普薩拉大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)的研究人員發(fā)現(xiàn)白細(xì)胞中的Y染色體丟失會導(dǎo)致男性心臟纖維化的產(chǎn)生、心臟功能受損和死于心血管疾病。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2022年7月15日的Science期刊上，論文標(biāo)題為“Hematopoietic loss of Y chromosome leads to cardiac fibrosis and heart failure mortality”。

論文共同通訊作者、烏普薩拉大學(xué)免疫學(xué)、遺傳學(xué)與病理學(xué)系副教授Lars Forsberg說，“在這項新研究使用的小鼠模型中，小鼠的Y染色體被清除，以模擬人類的mLOY狀況，我們分析了這所產(chǎn)生的直接后果。對攜帶mLOY的小鼠的檢查顯示，心臟中的瘢痕形成（也稱為纖維化）增加。我們觀察到mLOY導(dǎo)致心臟纖維化，從而導(dǎo)致心臟功能的下降。”

這些作者還能夠通過人類流行病學(xué)研究來證實小鼠中存在的這一因果效應(yīng)，在人類中，他們發(fā)現(xiàn)mLOY是男性心血管疾病死亡的一個新的重要風(fēng)險因素。這些人類流行病學(xué)研究是利用英國生物樣本庫（UK Biobank）的數(shù)據(jù)進(jìn)行的，英國生物樣本庫包含了研究開始時50萬名年齡在40-70歲的正常老化個體的基因組和健康信息。在研究開始時血液中存在mLOY的男性在大約11年的隨訪期間，死于心力衰竭和其他類型的心血管疾病的風(fēng)險增加了約30%。

17. Science：揭示黏連蛋白推動DNA環(huán)擠壓機(jī)制

doi:10.1126/science.abm4012

當(dāng)涉及到將信息打包到較小的空間時，我們的細(xì)胞表現(xiàn)出了工程學(xué)的奇跡。每次人類細(xì)胞分裂時，它將大約2長的DNA打包成46個小包裹，每個小包裹的長度只有百萬分之一米。在一項新的研究中，來自德國歐洲分子生物學(xué)實驗室海德堡總部（EMBL Heidelberg）和維爾茨堡大學(xué)的研究人員如今發(fā)現(xiàn)了一個DNA馬達(dá)蛋白（motor protein）家族如何在細(xì)胞分裂過程中成功地將松散排列的DNA鏈包裝成緊湊的染色體。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2022年6月3日的Science期刊上，論文標(biāo)題為“A hold-and-feed mechanism drives directional DNA loop extrusion by condensin”。

三維基因組結(jié)構(gòu)，圖片來自Frontiers in Cell and Developmental Biology, 2021, doi:10.3389/fcell.2020.626541。

這些作者研究了黏連蛋白（cohesin），即一種對染色體形成過程至關(guān)重要的蛋白復(fù)合物。盡管這種復(fù)合物在三十多年前就被發(fā)現(xiàn)了，但是它的作用方式在很大程度上仍未被探究。2018年，來自EMBL Heidelberg 的Christian H. Haering團(tuán)隊及其合作者已發(fā)現(xiàn)黏連蛋白分子可讓細(xì)胞基因組產(chǎn)生DNA環(huán)（loop），這可能解釋了染色體的形成方式。然而，這種蛋白復(fù)合物實現(xiàn)這一壯舉的內(nèi)部運作仍然是未知的。

通過精心設(shè)計的實驗，其中一些實驗涉及在黏連蛋白形成DNA環(huán)的過程中對它進(jìn)行觀察和操縱，這些作者發(fā)現(xiàn)這種蛋白復(fù)合物的不同部分如何共同發(fā)揮分子機(jī)器的作用：一部分像錨一樣固定住DNA，而另一部分像馬達(dá)一樣推動DNA前進(jìn)，從而形成一個較大的DNA環(huán)。

像其他馬達(dá)蛋白一樣，黏連蛋白沿著DNA“一步步”前進(jìn)，在此過程中以ATP的形式燃燒細(xì)胞能量。然而，這些步驟要比其他DNA馬達(dá)蛋白的步驟長500多倍，盡管消耗的能量大致相同。論文第一作者Indra Shaltiel說，“這就像一輛一級方程式賽車和一輛電動自行車的能源效率。”

18. Science：有望取代CRISPR-Cas9的新型基因編輯工具問世！揭示IscB-ωRNA在RNA引導(dǎo)下切割DNA機(jī)制

doi:10.1126/science.abq7220

CRISPR開創(chuàng)了基因組醫(yī)學(xué)的時代。從流行的CRISPR-Cas9開發(fā)出了一系列強(qiáng)大的工具來治療遺傳疾病。然而，有一個最后一公里的問題：需要有效地將這些工具遞送到患者的每一個細(xì)胞中，而大多數(shù)Cas9太大，無法裝入流行的基因組治療載體，如腺相關(guān)病毒（AAV）。

在一項新的研究中，來自康奈爾大學(xué)的研究人員為自然界如何解決這個問題提供了一個解釋：他們精確地確定了一種轉(zhuǎn)座子衍生性系統(tǒng)如何以RNA引導(dǎo)的方式編輯DNA。轉(zhuǎn)座子是細(xì)菌中的可移動的遺傳因子。一種轉(zhuǎn)座子編碼IscB，IscB的大小不到Cas9的一半，但它同樣能夠進(jìn)行DNA編輯。用IscB取代Cas9將明確地解決這種尺寸問題。相關(guān)研究結(jié)果于2022年5月26日在線發(fā)表在Science期刊上，論文標(biāo)題為“Structural basis for RNA-guided DNA cleavage by IscB-ωRNA and mechanistic comparison with Cas9”。

這些作者利用低溫電鏡（Cryo-EM）對來自一種轉(zhuǎn)座子系統(tǒng)的IscB-ωRNA分子進(jìn)行了高分辨率的觀察。他們能夠捕捉到該系統(tǒng)在不同構(gòu)象狀態(tài)下的快照。?他們甚至能夠通過去除IscB的非必要部分，設(shè)計出尺寸更小的IscB變體。?

19. Science：重大進(jìn)展！發(fā)現(xiàn)一種新的微管蛋白去酪氨酸酶---MATCAP

doi:10.1126/science.abn6020

最近，蛋白vasohibin（VASH1和VASH2）與它們的輔助因子小vasohibin結(jié)合蛋白（small vasohibin-binding protein, SVBP）一起被確定為去酪氨酸酶。然而，在大多數(shù)類型的細(xì)胞中，vasohibin的失活并不能消除去酪氨酸化，這表明有一種或多種額外的去酪氨酸酶存在。而其他的微管蛋白修飾是由多個相關(guān)的酶組成的大蛋白家族進(jìn)行的，沒有與vasohibin非常相似的蛋白酶。在一項新的研究中，為了確定其他的去酪氨酸酶，來自荷蘭癌癥研究所的研究人員在單倍體人HAP1細(xì)胞中剔除了VASH1和VASH2，并使用微管蛋白酪氨酸化和去酪氨酸化進(jìn)行全基因組誘變。這些基因篩選的敏感性通過紫杉醇處理或去除TTL來增強(qiáng)，以促進(jìn)微管蛋白的去酪氨酸化或使酪氨酸裂解不可逆轉(zhuǎn)。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2022年5月20日的Science期刊上，論文標(biāo)題為“Posttranslational modification of microtubules by the MATCAP detyrosinase”。

通過這些基因篩選，這些作者確定了KIAA0895L是一種之前未被發(fā)現(xiàn)的去酪氨酸酶，它也是一種未經(jīng)研究的沒有明顯蛋白酶特征的蛋白。同時移除KIAA0895L、VASH1和VASH2會導(dǎo)致體外培養(yǎng)的細(xì)胞中微管蛋白去酪氨酸化水平無法檢測到。KIAA0895L的晶體結(jié)構(gòu)顯示了一種非典型的屬于gluzincins家族的金屬蛋白酶褶皺（新型冠狀病毒SARS-CoV-2受體ACE2也屬于gluzincins家族）。KIAA0895L由于一個簡并簽名基序（HExxxH而不是HExxH）中斷了含有活性位點的螺旋，而沒有對催化位點排列的完整性產(chǎn)生實質(zhì)性的影響，所以沒有被注釋為蛋白酶。這些作者將這種蛋白重新命名為MATCAP（microtubule-associated tyrosine carboxypeptidase, 微管相關(guān)酪氨酸羧肽酶）。

微管蛋白去酪氨酸化是由不同的MATCAP和vasohibin去酪氨酸酶進(jìn)行的。圖片來自Science, 2022, doi:10.1126/science.abn6020。

MATCAP和vasohibin采用了非常不同的催化策略（前者是金屬蛋白酶，后者是半胱氨酸蛋白酶）來靶向α-微管蛋白的尾部。此外，vasohibin的裂解依賴于EEY末端基序中的倒數(shù)第二個谷氨酸，并且只容忍化學(xué)上相關(guān)的苯丙氨酸替代α-微管蛋白末端的酪氨酸，而MATCAP對這種末端氨基酸殘基的性質(zhì)是混雜的，并且顯示出對也位于更上游的α-微管蛋白尾部氨基酸殘基的依賴性，以進(jìn)行底物識別。無催化活性的MATCAP與完全酪氨酸化的微管結(jié)合在一起時的低溫電鏡結(jié)構(gòu)表明，MATCAP識別同一微管原纖維（microtubule protofilament）中的微管蛋白二聚體，而VASH1-SVBP復(fù)合物位于相鄰的微管原纖維之間。出乎意料的是，通過基因手段剔除小鼠中的MATCAP和SVBP導(dǎo)致它們的可存活下來的后代具有檢測不到的去酪氨酸化水平。盡管這些小鼠后代可存活下來，但是它們在神經(jīng)發(fā)生過程中顯示出大腦形態(tài)上的缺陷伴隨著增殖缺陷，并表現(xiàn)出異常的行為。

20. Science：挑戰(zhàn)常規(guī)！細(xì)胞基因組中的一些DNA環(huán)并不長期持續(xù)存在

doi:10.1126/science.abn6583

在人類染色體中，DNA被蛋白包裹，形成一條超長的串珠線。這條串珠線經(jīng)折疊后形成許多環(huán)（loop），據(jù)信這些環(huán)有助于細(xì)胞控制基因表達(dá)和促進(jìn)DNA修復(fù)，以及其他功能。在一項新的研究中，來自麻省理工學(xué)院、馬克斯-普朗克分子細(xì)胞生物學(xué)與遺傳學(xué)研究所的研究人員發(fā)現(xiàn)，這些環(huán)是非常動態(tài)的，而且比以前認(rèn)為的壽命更短。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2022年4月15日的Science期刊上，論文標(biāo)題為“Sphingolipids control dermal fibroblast heterogeneity”。

在這項新的研究中，這些作者能夠在大約兩個小時的時間里監(jiān)測活細(xì)胞中的一段基因組---Fbn2拓?fù)潢P(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)域（topologically associating domain, TAD）---的運動。他們觀察到這段基因組只有3%到6%的時間是完全成環(huán)的（即形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)），所形成的環(huán)只持續(xù)了大約10到30分鐘。這些發(fā)現(xiàn)表明科學(xué)家們目前對DNA環(huán)如何影響基因表達(dá)的理解可能需要修正。

這些作者用他們的方法對小鼠胚胎干細(xì)胞中的一段基因組進(jìn)行成像。論文共同第一作者、麻省理工學(xué)院研究生Simon Grosse-Holz說，“如果我們把我們的數(shù)據(jù)放在一個持續(xù)約12小時的細(xì)胞分裂周期的背景下，完全形成的DNA環(huán)實際上只存在約20至45分鐘，僅占約3%至6%的時間。”

21. Science：重大進(jìn)展！將大鼠多能性干細(xì)胞成功誘導(dǎo)為原始生殖細(xì)胞樣細(xì)胞，并培育出健康的大鼠后代

doi:10.1126/science.abl4412

利用多能性干細(xì)胞（pluripotent stem cell, PSC）在體外產(chǎn)生生殖細(xì)胞，對未來的生殖醫(yī)學(xué)和動物育種有很大的影響。在一項新的研究中，來自日本多個研究機(jī)構(gòu)的研究人員成功地利用在體外產(chǎn)生的大鼠生殖細(xì)胞培育出大鼠后代。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2022年4月8日的Science期刊上，論文標(biāo)題為“Functional primordial germ cell–like cells from pluripotent stem cells in rats”。在這篇論文中，他們描述了他們的方法，并解釋了為什么他們認(rèn)為他們的研究工作將導(dǎo)致對其他物種的體外配子發(fā)生的更好理解。

優(yōu)化誘導(dǎo)大鼠PGCLC產(chǎn)生的方法，圖片來自Science, 2022, doi:10.1126/science.abl4412。

在2011年，2011年，已有一個研究團(tuán)隊開發(fā)出一種將小鼠多能性干細(xì)胞分化為能夠進(jìn)行配子發(fā)生的原始生殖細(xì)胞樣細(xì)胞（primordial germ cell-like cell, PGCLC）的方法，從而在體外重建小鼠生殖細(xì)胞特化，更具體地說，開發(fā)出一種利用小鼠多能性干細(xì)胞產(chǎn)生小鼠精子樣細(xì)胞（sperm-like cell）的方法，然后用這些精子樣細(xì)胞使一只雌性小鼠受孕并生下健康的幼鼠。自那時起，已經(jīng)有許多科學(xué)家試圖在另一個物種中重復(fù)這一壯舉，但是在此之前誘導(dǎo)PGCLC在體外產(chǎn)生配子還沒有在任何其他物種中實現(xiàn)。這表明實現(xiàn)這一過程可能是多么困難。在這項新的研究中，這些作者以早前的研究為模板，在大鼠身上復(fù)制了這一過程。

該過程首先誘導(dǎo)大鼠胚胎干細(xì)胞產(chǎn)生胚胎中的上胚層樣細(xì)胞（epiblast-like cell）。這些作者隨后將產(chǎn)生的上胚層樣細(xì)胞放在含有信號分子和其他成分的培養(yǎng)基中，促進(jìn)它們轉(zhuǎn)變?yōu)榇笫驪GCLC。接下來，PGCLC與促進(jìn)它們成熟和表觀遺傳重編程的性腺體細(xì)胞一起培養(yǎng)，這是模擬正常成熟過程的一種手段。一旦PGCLC成熟了，它們就被移植到一只經(jīng)過改造后沒有生殖細(xì)胞的雄性大鼠的睪丸生精小管中。他們讓它們自然發(fā)育為成熟的精子。他們隨后從這只雄性大鼠身上取出精子樣本，并將它們直接注射到一只活的雌性大鼠的卵母細(xì)胞中，該雌性大鼠生下了健康的后代。他們指出，這些后代成長并能夠自然繁殖。

22. Science：重磅！揭示銅誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡機(jī)制

doi:10.1126/science.abf0529

從細(xì)菌、真菌到植物和動物，銅都是生命的一個重要元素。在人類中，它與酶結(jié)合以協(xié)助于血液凝固、激素成熟和細(xì)胞處理能量。但是過多的銅會殺死細(xì)胞，如今科學(xué)家們找到了其中的原因。

在一項新的研究中，來自美國布羅德研究所的研究人員發(fā)現(xiàn)一種由銅誘導(dǎo)的新形式的細(xì)胞死亡。在布羅德研究所研究員Peter Tsvetkov和布羅德研究所主任Todd Golub的領(lǐng)導(dǎo)下，這些作者發(fā)現(xiàn)銅與專門的蛋白結(jié)合，導(dǎo)致它們形成有害的團(tuán)塊，并且還干擾了其他必需蛋白的功能，這會使得細(xì)胞進(jìn)入毒性應(yīng)激狀態(tài)并最終死亡。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2022年3月18日的Science期刊上，論文標(biāo)題為“Copper induces cell death by targeting lipoylated TCA cycle proteins”。

通過揭示這一過程的關(guān)鍵組成部分，這項新的研究還確定了哪些細(xì)胞特別容易受到銅誘導(dǎo)的死亡。這些發(fā)現(xiàn)可能有助于科學(xué)家們更好地了解出現(xiàn)銅失調(diào)的疾病，甚至可以為開發(fā)新的癌癥治療方法提供參考。

23. Science：25年謎團(tuán)終揭曉！揭示NAC蛋白復(fù)合物調(diào)節(jié)新生蛋白在細(xì)胞內(nèi)的運輸

doi:10.1126/science.abl6459

在一項新的研究中，來自德國康斯坦茨大學(xué)、瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院和美國加州理工學(xué)院的研究人員解決了一種已存在25多年的難題：細(xì)胞中蛋白如何分選。一種稱為NAC（nascent polypeptide-associated complex, 新生多肽復(fù)合物）的蛋白復(fù)合物在蛋白合成中充當(dāng)“守門員”，調(diào)節(jié)著蛋白在細(xì)胞內(nèi)的運輸。他們闡明了這種功能背后的分子機(jī)制。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2022年2月25日的Science期刊上，論文標(biāo)題為“Mechanism of signal sequence handover from NAC to SRP on ribosomes during ER-protein targeting”。

為了維持我們的細(xì)胞功能，當(dāng)?shù)鞍兹栽诤铣蓵r，就必須將它們運輸?shù)郊?xì)胞中多種稱為“細(xì)胞器”的目的地。但是，如何才能區(qū)分不同的運輸目的地并防止蛋白到達(dá)錯誤的細(xì)胞器呢？這些作者如今發(fā)現(xiàn)了為了使蛋白運輸?shù)揭粋€重要的細(xì)胞目的地---將新生的蛋白運送到細(xì)胞中的一種膜網(wǎng)絡(luò)，即內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，這種復(fù)雜的過程如何在分子水平上受到控制。

在這項新的研究中，這些作者能夠發(fā)現(xiàn)一種被專家們稱為NAC的蛋白質(zhì)復(fù)合物在這一過程中起著決定性的作用，該復(fù)合物是在25年前發(fā)現(xiàn)的。像守門員那樣，NAC確保只有以內(nèi)質(zhì)網(wǎng)為目的地的蛋白被傳遞給蛋白轉(zhuǎn)運體SRP（signal recognition particle, 信號識別顆粒）。然后SRP介導(dǎo)這種蛋白“貨物”運輸?shù)街付ǖ哪康牡?。另一方面，如果新生蛋白的目的地不是?nèi)質(zhì)網(wǎng)，守門員NAC會拒絕蛋白轉(zhuǎn)運體SRP的訪問。

24. Science：震驚！在荷蘭發(fā)現(xiàn)一種新的高毒性的HIV毒株---VB變體

doi:10.1126/science.abk1688

正如正在進(jìn)行的冠狀病毒SARS-CoV-2大流行所證明的那樣，病毒基因序列的新突變可以對病毒的傳播性和造成的損害產(chǎn)生重大影響。多年來，人們一直擔(dān)心HIV-1病毒會出現(xiàn)這種情況。根據(jù)聯(lián)合國艾滋病規(guī)劃署的統(tǒng)計數(shù)據(jù)， HIV-1已經(jīng)影響到全球3800萬人，迄今已造成3300萬人死亡。

在一項新的研究中，英國牛津大學(xué)大數(shù)據(jù)研究所的研究人員領(lǐng)導(dǎo)的一個研究團(tuán)隊證實在荷蘭發(fā)現(xiàn)了一種新的、高毒性的稱為VB變體（VB variant）的HIV毒株。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2022年2月4日的Science期刊上，論文標(biāo)題為“A highly virulent variant of HIV-1 circulating in the Netherlands”。

VB變體感染者的臨床特點。圖片來自Science, 2022, doi:10.1126/science.abk1688。

在接受抗逆轉(zhuǎn)錄病毒治療（ART）之前，感染了這種VB變體的人與感染了其他HIV變體的人相比顯示出明顯的差異：（1）感染VB變體的人的病毒載量（血液中的病毒水平）高出3.5到5.5倍；（2）此外，感染VB變體的人體內(nèi)CD4 T細(xì)胞減少的速度（這是HIV對免疫系統(tǒng)造成損害的標(biāo)志）比其他HIV變體快兩倍，使這些感染者更快面臨發(fā)展為艾滋?。ˋIDS）的風(fēng)險；（3）感染VB變體的人還顯示出將這種病毒傳播給他人的風(fēng)險增加。

令人欣慰的是，在開始治療后， VB變體感染者的免疫系統(tǒng)恢復(fù)和生存率與其他HIV變體患者相似。然而，這些作者強(qiáng)調(diào)，由于VB變體導(dǎo)致免疫系統(tǒng)強(qiáng)度更快速的下降，這使得感染者盡早被診斷并盡快開始治療變得至關(guān)重要。

25. Science：挑戰(zhàn)常規(guī)！揭示DNA結(jié)合蛋白高效結(jié)合DNA靶序列的新機(jī)制

doi:10.1126/science.abg7427

在一項新的研究中，來自瑞典烏普薩拉大學(xué)的研究人員展示了DNA結(jié)合蛋白如何在不受到阻礙的情況下在整個基因組中搜索它的靶序列。這一結(jié)果與我們目前對基因調(diào)控的理解------遺傳密碼影響DNA結(jié)合蛋白的結(jié)合頻率，但不影響它的結(jié)合時間---相矛盾。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2022年1月28日的Science期刊上，論文標(biāo)題為“Sequence specificity in DNA binding is mainly governed by association”。

當(dāng)DNA結(jié)合蛋白在遺傳密碼中尋找它們的靶序列時，它們沿著DNA螺旋滑動以加快這一過程。當(dāng)它們最終找到正確的位置時，它們停留在那里；與“正確的”靶序列的相互作用阻止了它們的滑行。這一機(jī)制已被廣泛接受來描述這一搜索過程。這確是一個吸引人的假說，但它提出了一個惱人的問題---DNA代碼中充滿了許多“幾乎正確”的序列。如果DNA結(jié)合蛋白在特定的DNA基序上停留的時間是由序列決定的，那么執(zhí)行搜索任務(wù)的DNA結(jié)合蛋白將不斷地在與它們的靶序列相似的序列上逗留。

論文第一作者、烏普薩拉大學(xué)的Emil Marklund說，“如果教科書上的解釋是正確的，那么DNA結(jié)合蛋白會一直停留在靶序列之外。基因調(diào)控將非常無效，但我們從以前的研究中知道，情況并非如此。我們最熟悉的DNA結(jié)合蛋白LacI在幾分鐘內(nèi)就能在460萬個堿基對中找到它的靶序列。”

為了解決這一悖論，這些作者讓DNA結(jié)合蛋白LacI在安裝在一個微芯片上的數(shù)千個不同的DNA序列上來回滑動。一種熒光分子附著在LacI蛋白上，使得測量LacI附著在不同DNA序列上的速度以及它從中釋放下來的速度成為可能。所獲得的結(jié)果是令人吃驚的。與之前的假設(shè)相反，DNA序列對LacI與DNA結(jié)合的時間幾乎沒有影響。然而，當(dāng)遇到的DNA序列與靶序列相似時，滑動的LacI更有可能短暫地停留下來。換句話說，DNA結(jié)合蛋白經(jīng)常也會離開它們要調(diào)節(jié)的序列，但是在靶位點，它們總是在找到它們的路徑之前進(jìn)行非常短的旅程。在宏觀的時間尺度上，這看起來是一種穩(wěn)定的相互作用。