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《PNAS》六大热点文章

日期: 2019年05月08日


    

《PNAS》(美国国家科学院院刊)是与Nature、Science齐名,被引用次数最多的综合学科文献之一,PNAS收录的文献涵盖生物、物理和社 科学,主要内容包括具有高水平的前沿研究报告、学术评论、学科回顾及前瞻、学术论文以及美国国家科学学会学术动态的报道和出版。近期其最受关注的文章(生物类)如下:

 

Residential green space in childhood is associated with lower risk of psychiatric disorders from adolescence into adulthood

 

直到工业革命之前,人类的大部分生活都与自然密切相关。但在工业革命后的两个世纪里,人类的生活方式发生了翻天覆地的变化,现代社会的生活方式逐渐减少人们接触自然的机会。

 

在全球,超过50%的人居住在都市里,而且全世界城市化的步伐并没有停止的迹象。在很多方面,城市提高了人类生存质量,比如城市能提供更好的医疗和教育。

 

但从另一方面来说,城里人也是不幸的,因为他们的幸福感似乎并不比居住在农村的人高。比如2016年发表在《英国精神病学杂志》(The British Journal of Psychiatry)上的一研究显示,居住在城市里的人患有焦虑症的可能性比乡下人高50%,精神分裂症的可能性则翻番。

 

这样的生存状态,或许是现代化的必然。现在越来越多的人生活在大城市里,或许一生都与钢筋水泥为伴,从来没有享受过大自然。但是,它会对人类的未来——儿童起到什么影响呢?

 

发表在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上的一项研究指出,儿童时期小区绿化越少,成年后的精神健康状况越不好,如抑郁症倾向增加,而这一切和家里有没有钱无关。

 

这项研究的作者,丹麦奥胡斯大学(Aarhus University)生命科学系的大数据研究者 Kristine Engemann 和同事通过 Landsat 陆地卫星测量了一百万出生于1985-2003年间的丹麦人从出生到10岁时家附近的绿化程度。

 

利用 Landsat 陆地卫星提供的高清影像数据,这些研究者量化了这100万丹麦人住家附近(210*210米的方块)的绿化程度,然后得出了一个绿化指标。

 

这些研究者比较了这些10岁儿童在10年后的精神状态的变化,发现了一些意想不到的结果。

 

从卫星数据来看,0-10岁时家附近绿化带越少,10年后发生精神疾病的可能性越高。

 

那些在绿化最少的环境中长大的孩子患有精神疾病,如抑郁症、饮食紊乱、焦虑症、强迫症的可能性比家附近绿化程度最高的孩子高55%,患上精神分裂症的可能性则翻番。

 

更重要的是,绿化对精神健康的影响和家庭富裕程度,或是家族精神病史无关。即使将家庭经济状况以及家族精神病史的影响考虑进去,绿化程度依然能够预测儿童10年后的精神状况。

 

A CRISPR/Cas9-based central processing unit to program complex logic computation in human cells

 

被称作“基因刀”的 CRISPR 基因编辑技术,已经被许多科学家用于遗传疾病的治疗研究。但是瑞士苏黎世联邦理工学院(ETH Zurich)的一支研究团队,却将它应用到了全新的领域 —— 在人体细胞内插入一台具有功能性的“生物计算机”。据悉,这种细胞可以扮演“逻辑门”的角色,从外界获取信息、处理并响应某些代谢过程。

 

首席研究员 Martin Fussenegger 表示,人体本身就是一台大型计算机:“从古至今,其新陈代谢已经吸收了数万亿个细胞的计算能力。但与超算相比,它只需要一片面包的能量,就可以开展工作”。

 

利用这些自然过程来构建逻辑电路,是合成生物学的关键目标。为此,ETH Zurich 的研究团队,决定借助 CRISPR 这款基因编辑工具,找到了将‘双核处理器’插入人体细胞的方法。

 

通常情况下,CRISPR 需要借助引导 RNA 序列的靶向基因组中的特定 DNA 片段,才能展开精确的编辑。但在这个新项目中,研究团队打造了一款能够充当处理器的特制 Cas9 酶。

 

据悉,这种酶能够输入读取引导 RNA,并以特定的基因表达作为回应。反之,它可产生某些蛋白质作为输出。从本质上来说,这与数字半加法器没有区别。

 

它们可以比较两个输入、或添加两个二进制数,并提供两个输出。为提升算力,研究人员还设法将两个‘生物处理器核心’压缩进了一个单元中。

 

展望未来,这些“双核生物处理器”能够堆积到数十亿的数量,以制造强大的生物计算机,来诊断和治疗疾病。

 

Energetic regulation of coordinated leader-follower dynamics during collective invasion of breast cancer cells

 

近期的研究发现转移性的癌细胞离开肿瘤时并不是一个个单个离开,而是成群结队的离开,在此基础上,来自美国范德堡大学的研究人员进一步发现这个过程其实是有领导者的,也就是说前部细胞消耗更多的能量,通过组织前进,建立一个新的肿瘤部位,如果它感觉累了,就会退后到细胞群的后方,后面的细胞再顶上,继续前行。

 

文章作者,Cynthia Reinhart-King教授说,这一发现为癌症代谢组学研究提出了新观点 ,未来也许可以成为抗击癌症的下一个重要因素。这种方法可以补充免疫疗法,即利用身体的天然防御来杀死癌细胞。到目前为止,研究人员已利用这种方法减缓肿瘤生长,但Reinhart-King研究组这一新发现的机制可以进一步将其对抗癌症转移。

 

“我们的研究首次提出癌细胞转移,除了用于增殖以外,还在能源方面发挥了作用。这意味着我们也可以通过新陈代谢来控制癌细胞迁移。我们的实验采用了乳腺癌细胞,但同样的机制适用于肺癌,结肠直肠癌,皮肤癌和其他癌症,因此这项研究对于学习如何对抗所有的这些癌症至关重要。”

 

FDA于2017年批准了首批癌症代谢药物。

 

研究人员利用乳腺癌细胞构建了三维组织。论文一作Jian Zhang研发了计算模型,证明了领导者细胞与追随者细胞的能量需求。 他表示,领导者需要比其它细胞多出50%的能量,这主要取决于它所穿过的组织的密度,而且细胞每隔两到八个小时切换一次领导者和追随者的位置。

 

Reinhart-King表示,这项研究中的关键技术之一是荧光生物传感器,利用这种技术,研究人员可以跟踪细胞内的能量消耗和生产。

 

Infection by the parasitic helminth Trichinella spiralis activates a Tas2r-mediated signaling pathway in intestinal tuft cells

 

簇细胞是一类顶端有一簇微绒毛的细胞,通常单个地分布在体内各组织器官中。虽然它们被发现已经有半个世纪了,但对于它们的功能一直不清楚。

 

浙江大学生命科学学院黄力全实验室发表了题为“Infection by the parasitic helminth Trichinella spiralis activates a Tas2r-mediated signaling pathway in intestinal tuft cells”的文章,揭示了肠道簇细胞(tuft cell)表达的苦味受体(Tas2rs)及其信号通路在检测线虫寄生虫旋毛虫感染及引发的II 型免疫反应中的重要作用。

 

Triggering of a Dll4–Notch1 loop impairs wound healing in diabetes

 

卡罗琳斯卡研究所的研究人员发现了一种机制,可以解释糖尿病患者伤口愈合受损,从而导致糖尿病足溃疡这种疾病。在糖尿病小鼠中,当确定的信号通路被阻断时,伤口愈合会得到改善。

 

被鉴定出来的信号通路称为Notch,由Notch受体(Notch1-4)与其邻近细胞上的靶分子之间的相互作用激活。这种信号通路以前已知参与细胞分化、细胞迁移和新血管的形成。

 

在这项研究中,研究人员发现糖尿病患者的皮肤以及1型和2型糖尿病小鼠模型的皮肤中都有一种过度激活的Notch1信号。他们通过对培养的皮肤细胞的实验对其中的机制做了研究。研究人员指出,高血糖水平导致了信号通路持续的激活。

 

这项研究还检测了当这个信号通路被阻断时,伤口愈合是如何受到影响的。他们在糖尿病小鼠的皮肤伤口上局部应用阻断物质,以及对糖尿病小鼠进行基因改造以阻断其皮肤信号通路,并检测这两种方式抑制信号通路对伤口愈合的影响。

 

Uniquely human CHRFAM7A gene increases the hematopoietic stem cell reservoir in mice and amplifies their inflammatory response 

 

 

人类基因组中有一个子集是唯一的、不存在于其他任何物种的。目前已经发现300多个,数量还在逐渐增加。这类基因往往与仅发生在人类身上的疾病有关,如神经/精神障碍、自身免疫性疾病以及部分癌症。

 

CHRFAM7A是由位于人类染色体15q13-14上的α7-N乙酰胆碱受体(α7 nicotinic acetylcholine receptor,α7nAChR/CHRNA7)基因。该基因在人类进化过程中通过基因重排形成的人类特异性基因,因此CHRFAM7A是一个与CHRNA7接近的杂交基因,编码一种与α7nAChR结构类似的蛋白质。两个基因都由独立的特异启动子调节表达。最近几项遗传学研究表明,CHRFAM7A/CHRNA7基因座和15号染色体上CHRFAM7A的2bp突变与尼古丁依赖、精神分裂症、认知功能障碍和神经退行性疾病有关。

 

尽管人们普遍认为,新的物种特异性基因的出现有助于推动人类表型进化,正如它们在其他物种中所实现的。然而,一直缺乏直接证据表明这些基因与正常人类生物学和/或人类独一无二的疾病发病特点有关。也许,这些基因可能很好地促进了物种适应性,促进了某些正常的人类生理过程,甚至改变了人类的复原能力和对疾病的易感性,但有关它们的直接研究异常困难。

 

这些基因要么在人类疾病动物模型中不存在,要么其他动物有而人体内没有。迄今为止,有关这些基因生物学意义的研究只能通过人类临床案例加以推断。

 

了解这些物种特异性基因对人类疾病的作用,及其对转化医学的重要性,动物模型保真度是首要解决的问题。

 

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【赛业生物科技简介】

 

作为实力雄厚的基因工程鼠技术平台,赛业生物已服务全球数万名科学家,赛业产品与技术已直接应用于包括CNS(Cell, Nature, Science)三大期刊在内的2400篇学术论文。2016年,TurboKnockout把ES打靶金标准推向新高度;同年,CRISPR-Pro使大片段敲入及条件性基因敲除变得更加高效;2017年,AlphaKnockout基因打靶专家系统首次实现基于人工智能的最优化方案设计;同年7月,推出万例CRISPR-AI敲除小鼠资源库。赛业一步一个脚印,踏实前行,助力中国科研!