Science 3月热点文章

日期: 2018年03月15日


    

导读:十多年前光遗传学的出现,立即席卷了神经科学领域,迅速成为许多神经科学家们的首选方法。研究人员通过使用光选择性地控制活体动物脑中神经元上的离子通道,就可以实时看到特定的神经回路如何改变了动物的行为。赛业生物为您推荐“Science 3月热点文章”,详情如下:


美国的《Science》杂志由爱迪生投资创办,是国际上著名的自然科学综合类学术期刊,与英国的《Nature》杂志被誉为世界上两大自然科学顶级杂志。Science杂志主要发表原始性科学成果、新闻和评论,许多世界上重要的科学报道都是首先出现在Science杂志上的,比如艾滋病与人类免疫缺陷病毒之间的关系,标志性基因组研究成果等。Science杂志近期下载量最多的文章包括:


Live imaging of neurogenesis in the adult mouse hippocampus

 


科学家们曾经认为在胚胎发育结束时,会逐渐减少新神经细胞的产生。然而,最近的研究表明,成年人大脑可以在整个生命过程中产生新的神经细胞,比如海马区域,这是决定许多学习和记忆类型的大脑结构,能决定什么东西会被记住,什么会被遗忘。


苏黎世大学脑研究所教授Sebastian Jessberger的研究组,第一次观察到了神经干细胞分化和新生神经元在成年小鼠海马中整合的过程。这项由博士后Gregor Pilz和博士生Sara Bottes领导的研究使用了体内双光子成像和神经干细胞遗传标记,观察干细胞分裂,并在长达两个月的时间里观测了新神经细胞的成熟。


研究人员通过观察细胞的行动,和随时间推移发生的变化,他们发现大多数干细胞在成熟为神经元之前只需要分裂几轮。这些结果解释了为什么新生细胞数量随着年龄的增长而急剧下降。


Near-infrared deep brain stimulation via upconversion nanoparticle–mediated optogenetics

 


十多年前光遗传学的出现,立即席卷了神经科学领域,迅速成为许多神经科学家们的首选方法。研究人员通过使用光选择性地控制活体动物脑中神经元上的离子通道,就可以实时看到特定的神经回路如何改变了动物的行为。自那以后,科学家们利用这项技术研究了从果蝇到猴子等各种物种的脑回路和功能,甚至在一个临床试验中对这种方法进行测试,恢复罕见遗传疾病患者的视力。


而最新一项光遗传学的研究成果指出,现在科学家们成功地在小鼠身上使用了基于纳米粒子的光遗传学,令这一研究领域再迈出了重要的一步,开启了未来非侵入性治疗大脑疾病的大门。


Structure of a human catalytic step I spliceosome


自2015年,清华大学施一公教授研究组首次报道了裂殖酵母剪接体3.6 Å的高分辨率结构之后,这一研究组陆续解析了7个不同状态的剪接体高分辨的三维结构,整个剪接通路,将剪接体介导RNA剪接的过程串联了起来。但是与酵母剪接体相比,以人类为代表的高等生物的剪接体组成、组装和调控更为复杂,其结构研究也因为组成的复杂性和构象的不稳定性而进展缓慢。


近期这一研究组发表了题为“Structure of a human catalytic step I spliceosome”的文章,报告了人源剪接体C复合物的冷冻电镜结构,平均分辨率达到4.1 Å,他们也将这一结构与酿酒酵母剪接体C复合物的结构进行了比对,这将有助于揭示核糖核蛋白重构的机理。


Accurate computational design of multipass transmembrane proteins


华盛顿大学蛋白质设计研究所的分子工程师3月1日在《Science》发文告诉我们,人类可以从头开始创建和定制复杂的跨膜蛋白了,甚至制造自然界中没有的跨膜蛋白来完成特定任务。


在生命世界里,跨膜蛋白是嵌在所有细胞和细胞器膜中的一类蛋白,它们是细胞与外界的交互门禁,一些跨膜蛋白还参与细胞信号的接受或传递,因此,许多药物起作用的方式都是靶向这类蛋白。


“我们现在已经具备设计生产多种跨膜蛋白的技术,”华盛顿大学的生化教授、蛋白质设计研究所主任David Baker说。他实验室的高级研究员卢培龙(Peilong Lu)是这篇文章的第一作者。


Spatiotemporal gene expression trajectories reveal developmental hierarchies of the human cortex


人类大脑被称为世上最复杂的物质,里面有860亿错综复杂的、相互连接的神经元和数量同样庞大的胶质细胞。


有史以来人们对这一神秘器官一直充满好奇:它能生产浪漫的爱情诗歌,也能生产严谨的科学公式。由最初小小的胚胎和一点干细胞出发,成熟的大脑从何而来?


加州大学旧金山研究所三名年轻学者绘制的人脑综合基因表达地图,为解答特定细胞和基因网络如何铸造最复杂的人体器官提供了新的见解。


研究人员分析了关键发育时间点上不同大脑区域的单细胞基因表达,随后用统计算法聚类基因表达模式不同的细胞。


通过这一数据集,研究人员识别到了神经干细胞之间前所未知的基因表达差异,这种差异导致了脑深层结构和皮层表面不同构造形成。让人吃惊的是,不同神经细胞类型的分子指纹的生成时间远远早于脑发育,换句话说,在大脑发育的极早期,脑细胞就已经显现出了分子差异,这刷新了人们对脑细胞分化和发育的一般认识。


Shared molecular neuropathology across major psychiatric disorders parallels polygenic overlap

 


大多数医学疾病在组织,器官和体液中都有明确的物理特征。但是,精神疾病并不是由这种病理所定义的,它们是由行为所决定的。这就造成了精神障碍如精神分裂症和自闭症的定义特征一直存在争议。


加州大学洛杉矶分校的一项研究通过分析来自患有自闭症,精神分裂症,双相性精神障碍,严重抑郁症或酒精中毒的已故受试者大脑中700个组织样品的RNA,将其与来自没有精神障碍的大脑的样品进行比较,分析了患病脑组织内基因表达如何变化。


他们发现自闭症,精神分裂症和双相障碍在分子水平上具有一些共同的物理特征,尤其是大脑中基因表达的模式。研究人员还指出了这些疾病基因表达的重要差异。


Patients with familial adenomatous polyposis harbor colonic biofilms containing tumorigenic bacteria


科学家们确认了一个细菌组合,后者似乎能增加罹患结肠癌的风险。通过在小鼠中所做的一系列实验,他们能够确认两种细菌加剧炎症并分解结肠粘膜层的方式。


Christine M. Dejea和同事在此分析了来自病人的组织样本,这些病人罹患一种被称作家族性腺瘤样息肉病(FAP)的遗传性疾病,后者与结肠中发生癌前期息肉风险增加有关。与采自散发性息肉患者的样本不同,FAP样本中含有细菌斑块,在这些斑块中,大肠杆菌和脆弱类杆菌(ETBF)的含量尤其多,后者已经通过一个更大的FAP患者样本的数据集得到证实。


有意思的是,大肠杆菌和ETBF都有与增加DNA损害和肿瘤发生相关的基因。当研究人员将来自FAP患者样本中的细菌植入小鼠体内后,他们发现,那些仅植入一种细菌的小鼠所生的肿瘤很少,而植入了两种细菌的小鼠则明显更容易罹患侵袭性癌症及死亡。


The piRNA targeting rules and the resistance to piRNA silencing in endogenous genes

 


piRNA(Piwi-interacting RNA)被称为基因组的卫士,它与特定蛋白相互作用形成分子防御系统,来捍卫基因组的稳定性。那么,piRNA究竟如何区分外源和内源的基因序列呢?芝加哥大学的研究人员近日找到答案并发表在《Science》杂志上。


piRNA是一类长度约为26-31 nt的单链RNA分子,发现于2006年。在动物生殖系统中,它与Piwi蛋白一起沉默转座子,保护基因组的稳定性,被人们称作基因组的免疫系统。与免疫系统相似,piRNA系统能够区分敌我,启动应答,并适应新的入侵者。


为了弄清楚piRNA是如何做到这一点的,研究人员此次探究了线虫(C. elegans)生殖细胞所产生的piRNA。他们还想知道线虫为何有如此大量的piRNA(超过15,000个)以及它们的功能是什么。


之前的研究发现,Piwi招募一组比较小的RNA,它们与目标序列相对应。于是,研究人员创建了一个合成的piRNA,其序列不存在于线虫中。他们发现piRNA需要与部分序列接近完全匹配,但可以容忍其余部分的一些错配。他们还发现,大量的未成对的Piwi赋予了灵活性,使其有望靶向众多的外源基因。


接下来,研究人员想鉴定piRNA如何避免假阳性。他们创建了识别线虫基因的piRNA。然而,这组piRNA并没有沉默或影响内源基因的功能,表明基因有“抵抗力”。原来,内源基因有额外的重复区域(富含A和T),以此作为“自己人”的暗号。


这项研究解释了动物如何维持生育能力。之前的研究表明,如果Piwi蛋白发生突变,则piRNA系统就无法检测将外源DNA元件注入生殖细胞系的病毒或转座子。这种改变将影响生育能力,最终导致物种灭绝。


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