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【盘点】2016年4月15日Science期刊精华

信息来源:生物谷发布日期:2016-04-18

2016415Science期刊有哪些精彩研究呢?让小编一一道来。

1.Science封面文章:确定核孔对称性核心三维结构图

在一项新的研究中,来自美国加州理工学院的生物化学助理教授André Hoelz及其研究团队成功地构建出有史以来最为详细的核孔复合体(nuclear pore complex, NPC)对称性核心的三维结构图,其中NPC控制着哪些分子能够进出细胞中含DNA的细胞核。相关研究结果作为封面文章发表在2016415日那期Science期刊上,论文标题为“Architecture of the symmetric core of the nuclear pore”。

核孔是由三层环组成的:面向细胞核的核质环(nuclear ring, 也被称作内环),面向细胞质的胞质环(cytoplasmic ring, 也被称作外环),以及位于这两个环之间的中央孔(central pore)。核质环、胞质环和中央孔组成核孔的对称性核心(symmetric core)。核孔还含有非对称性的结构,如从胞质环向细胞质外延伸的胞质丝(cytoplasmic filament)和从核质环向细胞核内延伸的核篮(nuclear basket)。

通过能够将这些通过低温电子断层扫描技术(electron cryotomography---在这种技术中,立即冻存分离出的完整细胞核,这样它们的结构和分子被封锁在原位,然后利用透射电子显微镜产生二维结构图,而这些二维结构图能够被重组装为三维结构图---获得的晶体结构拼装在一起从而重建完整的人NPCHoelz说,“我们首次填补用于提供整体形状的低分辨率电子显微重建图和用于提供所有原子精确定位的高分辨率晶体结构图之间的分辨率差距。”(Science, 15 April 2015, doi:10.1126/science.aaf1015

2. Science:揭示出核孔内环分子结构
在一项新的研究中,来自欧洲分子生物学实验室(EMBL)的研究人员着重关注核孔复合体(nuclear pore complex, NPC)。相关研究结果发表在2016415日那期Science期刊上,论文标题为“Molecular architecture of the inner ring scaffold of the human nuclear pore complex”。论文第一作者为Jan KosinskiShyamal MosalagantiAlexander von Appen

核孔是进入细胞核的通道。一个典型的细胞含有上百个这样的核孔,这些核孔在控制每分钟成百上千个分子进出细胞核中发挥着至关重要的作用。核孔也被很多病毒用来将它们的遗传物质注射进宿主细胞核中,而且已知当细胞发生癌变时,它们发生改变,因此了解它们如何工作是很重要的。

论文通信作者、EMBL科学家Martin Beck说,“核孔是人细胞中最大的最为复杂的蛋白复合体。我们如今理解它是如何组装的。这是理解核孔在癌症中、衰老期间和其他情形下实际上到底发生什么方面迈出非常重要的第一步。”

核孔是由三层环组成的:面向细胞核的核质环(nuclear ring, 也被称作内环),面向细胞质的胞质环(cytoplasmic ring, 也被称作外环),以及位于这两个环之间的中央孔(central pore)。在此之前,科学家们已经知道如何将形成核质环和胞质环中的不同构造块组装在一起。如今,Martin研究团队成功地将形成内环中的构造块(或者说组件,组分)组装在一起。

EMBL利用低温电子显微技术研究内环的Shyamal Mosalaganti说,“令人吃惊的是,我们发现尽管内环是由不同的构造块组成的,但是它具有与其他的两个环一样的基础结构。这是利用简单的原则构建出来的非常复杂的结构。我们能够做到这一点,是因为我们将许多种不同的技术---分子建模、交联质谱(cross-linking mass spectrometry)和冷冻电子断层(cryo-electron tomography---结合在一起,从而获得内环的复合结构。”(Science, 15 April 2015, doi:10.1126/science.aaf0643

3.Science:神奇!与过敏症相关联的T细胞也能促进组织再生!

在一项新的研究中,来自美国约翰霍普金斯大学和肯尼迪-克里格研究所(Kennedy Krieger Institute)的研究人员报道,与过敏症相关联的免疫细胞当与生物材料支架(biomaterial scaffold)配合使用时会直接让小鼠肌肉损伤愈合。这一发现进一步证明免疫系统不仅在抵抗传染性疾病和其他疾病中发挥着关键作用,而且也在损伤后启动愈合过程中发挥着关键作用。研究人员也指出这些设计出的生物材料支架与免疫细胞“形成搭档”时能够更加有效地促进愈合。相关研究结果发表在2016415日那期Science期刊上,论文标题为“Developing a pro-regenerative biomaterial scaffold microenvironment requires T helper 2 cells”。

   为了更多地了解所涉及的免疫细胞及其它们的免疫反应,研究人员通过外科手术切除小鼠大腿肌肉中的一部分,然后植入已知促进动物伤口愈合的支架。一个星期后,含有支架的伤口位点要比没有支架的伤口位点拥有更多的白细胞,而且许多白细胞大量产生一种化学信号分子:白细胞介素-4IL-4),这种信号分子通常是由所谓的2型辅助性T细胞(type 2 helper T cell, Th2细胞)所产生的。

   为了观察这些细胞可能发挥什么作用,研究人员利用经过基因改造缺乏T细胞的小鼠开展同样的实验,结果发现它们的伤口不能产生白细胞介素,也不能像正常小鼠那样愈合。进一步的研究揭示出在伤口位点,Th2细胞激活和教导另一种类型的被称作巨噬细胞的免疫细胞。

   之前的研究提示着巨噬细胞的几种关键的愈合作用:清除死亡或受损的细胞和其他碎片,招募和支持成体干细胞再生组织,以及促进新的血管形成以便促进新组织再生。但是,研究人员发现在支架中的Th2细胞所起到的关键作用令人吃惊:这些T细胞有助抵御肠道蠕虫,但在发达国家,肠道蠕虫经常与触发“不好”免疫反应(如过敏症)相关联。(Science, 15 April 2015, doi:10.1126/science.aad9272

4. Science:揭示细胞迁移时核膜修复机制

在一项新的研究中,法国研究人员发现诸如免疫细胞之类的细胞会通过自身扭曲挤入进其他细胞之间的狭窄缝隙中,但是这会导致细胞核膜破裂,损害它的DNA。这些研究结果有可能让人们开发一些药物来阻止癌细胞迁移到体内其他的位点。相关研究结果发表在2016415日那期Science期刊上,论文标题为“ESCRT III repairs nuclear envelope ruptures during cell migration to limit DNA damage and cell death”。

研究人员原本以为健康细胞只在它们即将进行细胞分裂前才会打开核膜,而在其他时候,细胞核和细胞质的内含物混合到一起可能会是毁灭性的。细胞质中包含一些酶,可通过破坏病毒的DNA来抵御它们。如果核膜破裂,这些酶也会降解细胞本身的DNAPiel说,核膜破裂有可能发生在细胞身上,如果这样,细胞还能存活下来,那么可能就不是什么好事情。

研究人员发现细胞穿过狭窄缝隙受到挤压时,不仅会破坏细胞膜,而且还让细胞的DNA遭受损伤。细胞DNA会发生双链断裂,这种损伤会导致这些细胞死亡或发生癌变。

研究人员还发现细胞在遭受DNA损伤后还能够因为快速愈合而存活下来。他们发现一种被称作转运必需内体分选复合物(endosomal sorting complex required for transport-III, ESCRT-III)的复合体堵住核膜上的裂口,这样,细胞就有时间修复发生断裂的DNA

科学家们认为这项研究中观察到的这种核膜破裂和DNA损伤可能广泛存在于人体内,而且还认为修复核膜上的裂口可以帮助免疫细胞存活,但也可以让癌细胞受益。迁移到体内新的位点并开始生长的癌细胞是大多数癌症患者死亡的原因。(Science, 15 April 2015, doi:10.1126/science.aad7611

5. Science:癌细胞能够快速修复细胞核破裂
当不同的细胞穿过组织内部的狭窄空间时,它们经常变形,导致它们的细胞核在相关的压力下发生破裂。在一项新的研究中,来自美国康奈尔大学、德州大学MD安德森癌症中心以及荷兰癌症基因组中心和内梅亨大学的研究人员发现癌细胞有一种自我修复的快速恢复能力,但是细胞核变形和破裂会破坏这些癌细胞的基因组完整性,这可能能够进一步促进癌症发展。相关研究结果于2016324日在线发表Science期刊上,论文标题为“Nuclear envelope rupture and repair during cancer cell migration”。 在这项研究中,研究人员发现以下重要几点:
1)细胞核变形导致细胞核核膜(nuclear envelopeNE)完整性局部丢失,这会导致细胞核-细胞质内含物不受控制的交换、染色质跨过核膜形成突起,以及DNA损伤。核膜破裂的发生率会随着细胞内部空间受到限制和核层纤蛋白(nuclear lamin---在结构上支持细胞核的核膜蛋白---耗竭而增加。
2)癌细胞利用转运必需内体分选复合物(endosomal sorting complex required for transport-III, ESCRT-III)中的组分恢复核膜完整性。
3)在核层纤蛋白水平下降的癌细胞中,这些事件特别明显地发生,其中核层纤蛋白的表达在很多癌症中不受调控,而且经常与不好的结果相关联。
4)尽管核膜破裂以及由此造成的基因组不稳定可能促进癌症发展,但是它可能代表着转移性癌症的一个特别脆弱的地方,从而提供一种开发新的抗转移性肿瘤药物的机会,这些药物可通过阻断核膜修复和抑制DNA损伤修复而能够特异性地靶向作用于这些转移性癌细胞。(Science, 15 April 2015, doi:10.1126/science.aad7297

6. Science:首次证实疟疾阿托伐醌耐药性不能通过蚊子传播

在一项新的突破性研究中,来自澳大利亚墨尔本大学等机构的研究人员发现对一种至关重要的抗疟疾药物产生的耐药性不能够通过蚊子进行传播。这一发现可能能够显著改善我们抵抗疟疾的方法。相关研究结果发表在2016415日那期Science期刊上,论文标题为“Parasites resistant to the antimalarial atovaquone fail to transmit by mosquitoes”。这一发现可能潜在地阻止疟疾耐药性通过蚊子进行大规模传播的途径从而使得疟疾治疗对32亿处于风险之中的人更加有效。

这项研究着重关注药物阿托伐醌(atovaquone)。2000年,阿托伐醌上市销售,对孕妇和儿童是安全的,因此,它是为数不多的可以在大规模给药方法中使用的抗疟疾药物之一。但是因开始观察到疟原虫对这种药物的耐药性产生,它已基本上被淘汰了。

但是在这项新的研究中,研究人员揭示出尽管一些疟原虫在细胞色素b基因产生突变从而让它们在生命早期抵抗这种药物,但是当它们寄生在蚊子体内生长时,这种突变阻止一种必需的能量类型产生,最终杀死它们。(Science, 15 April 2015, doi:10.1126/science.aad9279

7. Science:首次基因组分析有助认识巴西寨卡病毒暴发

寨卡病毒表面结构图,该病毒具有从表面伸出的糖蛋白(红色),图片来自美国普渡大学KuhnRossmann研究团队。

寨卡病毒(Zika virus, ZIKV)感染与出生疾病头小畸型(microcephaly)存在潜在的关联。在一项新的研究中,来自英国牛津大学和巴西Evandro Chagas研究所等机构的研究人员对巴西的寨卡病毒暴发进行首个基因组分析,从而提供关于这种病毒如何和何时可能进入美洲方面的新信息。相关研究结果于2016324日在线发表在Science期刊上,论文标题为“Zika Virus in the Americas: Early Epidemiological and Genetic Findings”。

   研究人员对7株巴西寨卡病毒毒株的基因组进行测序,包括一株毒株来自一例致命的成年人病例和另一株毒株来自一名头小畸型新生儿。

   这一分析证实美洲的寨卡病毒是由当单次病毒输入而产生的,据估计这次输入发生于20135月和12月之间,比首次在巴西检测到寨卡病毒的时间早了12个月。

    这种估计的起源时间与从ZIKV地方性流行地区到达巴西的飞机乘客人数增加相一致,而且也与报道的太平洋岛屿ZIKV暴发相一致。一种猜测涉及在联合会杯足球锦标赛期间输入寨卡病毒,其中法属玻里尼西亚塔希提岛就参与这项足球锦标赛。

   市级分析表明报道的巴西头小畸型疑似病例与怀孕17周左右的ZIKV感染率(或者对严重头小畸型而言,是怀孕14周)的关联性最好。不过,研究人员也强调这并不能证明这两者之间存在因果关系。确定ZIKV是否是头小畸型和其他疾病的病因的研究仍在继续开展中。

   来自牛津大学和Evandro Chagas研究所的Nuno Faria博士说,“这是首次利用基因组数据研究巴西寨卡病毒暴发。它为我们进一步开展研究奠定良好的基础。”(Science, 15 April 2015, doi:10.1126/science.aaf5036

8.
揭示RNA甲基化酶RlmN交联中间体晶体结构
RNA
甲基化在RNA功能和抗生素耐药性中发挥着重要作用。RNA甲基化酶RlmN是一种双特异性酶,能够作用于核糖体RNArRNA)和转移RNAtRNA)。RlmN 是一种自由基S-腺苷甲硫胺酸酶,能够产生蛋白/RNA交联中间体。

在一项新的研究中,来自美国宾夕法尼亚州州立大学的Erica Schwalm及其同事们确定出RlmN与一种tRNA底物交联时的结构,并且发现这种酶识别tRNA的整体形状,然后重塑tRNA上的反密码子区域以便能够接触到它要进行甲基化的碱基。这种重塑活性很可能是这种酶的双特异性的关键。相关研究结果发表在2016415日那期期刊上,论文标题为“Crystallographic capture of a radical S-adenosylmethionine enzyme in the act of modifying tRNA”。

作为一种双特异性RNA甲基化酶,RlmN23S rRNA2503位点的腺苷酸(A2503)上的C2和几种大肠杆菌tRNA的第37位点的腺苷酸(A37)上的C2进行甲基化修饰。一种与RlmN相关联的甲基化酶Cfr通过一种类似的机制对A2503上的C8进行甲基化修饰,从而能够对多种抗生素产生抵抗性。

在这项研究中,研究人员让RlmN突变体(Cys118AlatRNAGlu底物进行交联,交联位点为之前形成的甲基半胱氨酰残基上个的末端亚甲基碳原子和A37上的C2,然后确定出RlmN突变体这个关键交联中间体的X射线晶体衍射结构。RlmN接触这个tRNA的整个长度,通过诱导契合策略让这个tRNA的反密码子茎环结构全部摊开从而接触A37,这可能在RlmN识别tRNArRNA底物中发挥着关键性作用。(Science, 15 April 2015, doi:10.1126/science.aad5367