2017年2月Science期刊不得不看的亮点研究
2017-02-28 生物谷 生物谷
2017年2月28日/生物谷BIOON/---2月份即将结束了，2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：重大突破！利用人工智能鼻子预测分子的气味 doi:10.1126/science.aal2014 在你看到一种颜色之前，你能够仅根据光的波长预测它。音乐无需亲耳听见而能够仅根据乐谱上的音符
2月份即将结束了，2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。
doi:10.1126/science.aal2014
在你看到一种颜色之前，你能够仅根据光的波长预测它。音乐无需亲耳听见而能够仅根据乐谱上的音符加以理解。但是气味不是这样的。辨别一种东西闻起来像是玫瑰味、松脂味、汽油味还 是海风般清新的唯一方法是闻它。
一项新的研究让我们的最为神秘的嗅觉变得更加可预测一些。由美国洛克菲勒大学的研究人员启动的一个项目利用众包策略设计出一种数学模型，这种模型能够预测一种分子产生的气味。
在这项新的研究中，Vosshall研究了人类和昆虫的气味感知（odor perception）。作为这项研究的一部分，她和来自她的实验室的研究员Andreas Keller着手探究分子和它们产生的气味之间 存在的关联。
为了获得他们需要的数据，他们要求49名志愿者闻一闻一组精心挑选的分子，每种分子装在一个小瓶子里。可能存在的气味数量几乎是无止境的---尽管人类感知光线和声音的限制是大家熟知 的，但是还没有为气味建立这样的边界。因此，在探究我们的嗅觉的全部范围的努力中，Keller收集了476种不同的分子，它们中的很多分子之前从没有在嗅觉研究中接受过测试。
总之，这项研究产生100万多个数据点。这些研究人员随后寻求将这些气味感知信息与200万多个描述这些气味分子化学特征（如它们含有的硫原子数量）的额外数据点相关联在一起。它利用 众人的智慧解决这个问题。
来自全世界的研究机构和公司的22个精通计算的志愿者团队参加DREAM嗅觉预测挑战（DREAM Olfaction Prediction Challenge）。这种DREAM挑战是由美国IBM公司托马斯-沃森研究中心主任 Pablo Meyer组织的。利用Vosshall和Keller的气味评分，即迄今为止收集到的最大的数据集之一，这些团队设计出能够“学着”依据一种分子的化学特征预测它的气味属性的算法。
最好的解决方法并没有出现在任何单个模型中。为了利用众人的智慧，DREAM挑战通常将每个人提交的模型合并到一个综合模型（aggregate model）中。这个综合模型经常要比任何单个模型 更加强大。
在DREAM挑战结束时，这些研究人员利用他们拥有的对69种分子的评分测试了这种综合模型的性能。将气味属性与分子匹配在一起的完美分数是1.0；这种综合模型得分为0.83，显著好于之前 为解决这个问题作出的任何尝试。
尽管这种气味预测模型迄今为止并不完美，但是它为寻找高效地配制玫瑰香味等气味的方法的香水化学家开辟了新的可能性。它也为气味感知的非常复杂的生物学特征提供新的认识。没有人 充分地理解当气味分子飘进鼻子，转化为传送到大脑中的电信号时，到底发生了什么。
doi:10.1126/science.aaj2191; doi:10.1126/science.aam7926
科学家们之前已证实细菌能够在抗生素存在下存活下来的一种方式是进化出一种“定时器（timer）”，从而确保它们在整个抗生素治疗期间保持休眠。但是当它们苏醒时，抗生素仍然会杀死 它们，因此一种简单的解决方法是更长时间地持续开展抗生素治疗。
如今，在一项新的研究中，来自以色列耶路撒冷希伯来大学的研究人员报道了细菌进化出耐药性的一种令人吃惊的替代性途径。在进化出这种休眠机制后，这些细菌群体随后能够比正常时快 20倍地进化出耐药性。因此，继续服用抗生素并不会杀死这些细菌。
为了研究这个进化过程，由来自耶路撒冷希伯来大学拉卡物理学研究所的Nathalie Balaban教授和博士生Irit Levin-Reisman领导的一个研究团队在实验室可控条件下，让细菌群体接触日剂 量的抗生素直到耐药性产生。通过在这个进化过程中追踪这些细菌，他们发现致死性的抗生素剂量产生暂时休眠的细菌，因此让它们免受几种靶向活跃生长的细菌的抗生素攻击。一旦细菌获 得休眠的能力（也被称作“耐受性”），它们快速地获得耐药性突变，从而能够克服这种抗生素治疗。
这些结果表明在重复地接触高浓度抗生素的情形下，耐受性（tolerance）可能在细菌群体进化出耐药性中发挥着至关重要的作用。关键的因素是鉴于存在大量可能发生的突变，耐受性因而会 快速地产生；耐药性和耐受性的组合效应导致在耐受性的基础上，产生部分耐药性突变。
这些发现可能对开发新的抗生素产生重要的影响，这是因为它们提示着利用也能够靶向耐受性细菌的药物可能会延迟进化出耐药性。
doi:10.1126/science.aal2745
在一项新的研究中，来自美国华盛顿大学的研究人员发现脊椎动物免疫系统中的一种常见的细胞类型在其他细胞之间的通信中发挥着一种独特的作用。他们证实这种被称作巨噬细胞的细胞能够传递非免疫细胞之间的信息。
这项研究描述了斑马鱼中的色素细胞如何指派巨噬细胞传递在它的皮肤色素图案形成中发挥重要作用的信息。这是首次报道巨噬细胞长程地接力传递非免疫细胞之间的信息。不过，鉴于巨噬细胞在所有脊椎动物中都是常见的，这些研究人员认为他们的发现并不只是水生生物的怪癖。巨噬细胞可能是常见的细胞间长程信息的传递者。
论文通信作者David Parichy和论文第一作者、华盛顿大学博士后研究员Dae Seok Eom是在研究斑马鱼时发现巨噬细胞的这种新作用的。他们想要理解斑马鱼如何获得它的银黄色条带和黑色条带。每种颜色---黑色、黄色和银色---起源自一种不同类型的色素细胞。当斑马鱼幼小时，这些色素细胞迁移到合适的位点，形成这些条带。
Eom和Parichy利用实验室遗传工具让斑马鱼色素细胞发出荧光，从而使得在显微镜下更容易追踪这些细胞。在这一过程中，他们发现在色素图案形成的高峰期间，作为黄色素细胞的前体细胞，xanthoblast产生独特的精致的凸起（projection）。他们根据数学家、天文学家Sir George Airy和希腊信使女神Iris的名字，将这种凸起命名为airineme。
Eom和Parichy发现这些凸起含有微小的膜包围的蛋白囊泡，囊泡中的蛋白给黑色素细胞提供分子信号。他们证实当来自xanthoblast的凸起遇到黑色素细胞时，来自这种凸起中的提供分子信号的蛋白导致这种黑色素细胞迁移到条带中。
Eom说，“我观察到一个巨噬细胞与一个凸起相互作用，然后与另一个凸起相互作用，然后再与另一个凸起相互作用。在一项实验中，我观察到来自xanthoblast的178个凸起，它们当中的94%明显地与巨噬细胞相互作用。”
Eom测试了巨噬细胞是否真正地促进黄色素细胞和黑色素细胞之间的对话。利用遗传工具，他培育出缺乏巨噬细胞的斑马鱼，结果观察到xanthoblast产生少得多的凸起。在这种情形下，黑色素细胞不能正确地迁移形成条带。
当巨噬细胞随机地遇到凸起时，Eom利用显微镜捕获到它们如何作出表现的图片和影片。一个巨噬细胞似乎吞噬一个凸起表面上的球形蛋白囊泡的一端，拖着它移动，从而将这个凸起拉伸。
Eom证实来自xanthoblast的凸起中的蛋白囊泡膜含有一种脂质，这种脂质对巨噬细胞而言是一种“吃我”信号，这可能解释了为何巨噬细胞附着和拖着这种凸起。他和Parichy计划研究为何巨噬细胞不吞噬凸起，以及如何特异性地从凸起切换到黑色素细胞。
不过鉴于巨噬细胞喜欢四处游荡和拾起物体，Parichy认为这不可能是唯一的例子表明巨噬细胞能够被免疫系统之外的细胞指派。
doi:10.1126/science.aah6171
血糖触发胰腺中的β细胞分泌胰岛素，这一过程在糖尿病中受到破坏。在一项新的研究中，来自美国耶鲁大学和新加坡国立大学的研究人员在这些胰腺β细胞的细胞膜中鉴定出一种控制它们分泌胰岛素的机制。
这种胰岛素分泌部分上依赖于一种被称作TMEM24的脂质转运蛋白。TMEM24将一种被称作内质网（endoplasmic reticulum, ER）的细胞器附着到外层细胞膜上。这种蛋白将内质网中制造的脂质携带到细胞膜上，改变它的组成，从而允许胰岛素分泌到细胞外面。
这项研究对调节葡萄糖反应性的胰岛素释放机制提出新的认识。
doi:10.1126/science.aai8690
在一项新的研究中，来自新英格兰生物学实验室公司（New England Biolabs Inc., 简称NEB）的一个研究团队发现储存在公共数据库中的DNA测序样品具有比期待中更高的低频突变错误率（low-frequency mutation error rate）。他们描述了他们如何开发出一种能够计算DNA测序样品中错误率的算法，以及当在两种公共基因组数据库中运行时，它揭示了什么。
当研究DNA在导致癌性肿瘤（cancerous tumor）的细胞突变中的作用时，研究人员依赖于储存测序信息的数据库的准确性，比如当尝试着找出趋势时，依赖于这些数据库中的信息寻找共性的那些研究人员。这些研究涉及对发生低频突变的不同人的基因组与总体人口的基因组进行比较，并且利用他们发现的结果构建癌症数据集。但是如今，NEB团队开展的这项研究对公共数据库的准确性提出质疑。
为了测量一种给定的数据集的准确率，NEB团队开发出一种算法，该算法能够被用来计算因测序过程期间发生DNA损伤而表现出突变（不是自然发生的突变）的序列数量。该团队随后利用他们的算法计算几种公共数据库（最为知名的是***基因组计划和TCGA数据库的一部分）的错误率，他们报道他们发现这两种知名数据库的错误率分别是41%和73%。
NEB团队注意到他们的算法不能够揭示出这些非自然发生的DNA损伤的来源，但是提出它可能是由于在进行测序之前使用的某些样品制备技术导致的。他们也指出为测序仪开发出的其他算法能够测试它们自己的测序错误，但是由于缺乏非常有说服力的理由，它们并没有被广泛地使用。他们指出DNA测序仪开始这样做了。他们也注意到已在开发的新工具可能有助在制备期间让DNA损伤最小化，而且它们的使用可能改进公共数据库的准确性。
doi:10.1126/science.aah4886
虽然大部分大肠杆菌都属于共生菌，但仍有一些还是有可能导致疾病的菌株，其中包括肠致病性大肠杆菌（EPEC）以及肠出血性大肠杆菌（EHEC）。它们均拥有一种叫做T3SS（type III secretion system）的系统，能够分泌毒性因子进入宿主细胞中引发免疫反应。
对于大多数毒性因子来说，细菌胞内分子的浓度是最主要的决定因素，因此每一种毒性因子的分泌-浓度比都是相似的。然而，NIeA与Esp1的这一数值则异常的高。此前研究发现NIeA对于抑制宿主的分泌以及炎症小体的形成具有关键的作用。
由于毒性因子的注入主要发生于附着在宿主细胞表面的细菌，而此前针对NIeA分子浓度的检测仅仅针对于侵染宿主后未依附在宿主细胞表面的细菌群体。因此，有可能这一因子主要有依附成功的细菌分泌。为了检验这一猜测，来自以色列耶路撒冷的Hebrew大学的Ilan Rosenshine课题组进行了深入研究。相关结果发表在最近一期的《science》杂志上。
首先，作者利用体外系统将HELA细胞进行EPEC感染。他们选择了两种不同的细菌，一种含有NIeA-GFP融合蛋白（即使用同一启动子）的EPEC，以及NIeA-rbs-GFP（即不使用同一启动子）。结果显示，前一种细菌中GFP的表达主要发生于与HELA细胞结合的细菌群体，而后一种细菌则没有这一特点。这一试验结果表明NIeA的表达与细菌与细胞的依附过程有因果关系。
为了进一步研究NIeA的表达调控机制，作者进行了细菌的突变筛查分析。结果显示，NIeA的表达主要受到反式作用因子CsrA的调节，它与NLeA基因5'-端 UTR相互作用从而抑制基因的表达。
进一步，作者猜测细菌在与宿主细胞发生接触后，细菌表面的某些分子感应到了某种信号，从而激活了下游分子的表达。因此作者利用细菌突变体检测了EPEC特有的表面分子。他们发现：在众多表面分子中，只有TS33对于NIeA的表达调节具有重要的作用。
doi:10.1126/science.aak9973
在一项新的研究中，来自美国印第安纳大学、哈佛大学、荷兰代尔夫特理工大学和英国纽卡斯尔大学的研究人员首次非常详细地揭示出促使细菌发生细胞分裂的生化时钟运作机制。
这一发现是利用印第安纳大学开发的一种用来让细菌细胞壁着色的革命性方法而取得的。它可能有助开发抵抗抗生素耐药性细菌的药物。
早期的抗生素药物（如青霉素）像一把锤子那样发挥功能：在细菌细胞分裂期间，诱导制造细胞壁的被称作青霉素结合蛋白（PBP）的酶结合这种药物而不是结合细胞壁的构成单元（building block），从而诱导细胞壁破裂和细胞瓦解。
促进细菌分裂的其他组分包括被称作FtsA和FtsZ的细胞骨架蛋白。FtsA和FtsZ在细胞内部形成骨架类似的纤维（FtsAZ纤维），从而指导细胞壁在细胞分裂期间遭受破坏。在细菌细胞分裂期间，所有的这三种组分必须协作在细菌细胞的中间构建细胞壁，从而确保在它一分为二产生两个新的子细胞后，子细胞内部的材料不会逃离。
事实上，细菌细胞的这三种组分在细胞分裂中的作用是已知的，但是这项新的研究是首次证实它们如何精确地协作。重要的是，Brun说，当制造细胞壁时，FtsZ起着领班的作用，指导着PBP“工人”迁移。
这些研究人员能够利用高技术的被称作荧光D-氨基酸（fluorescent D-amino acid, FDAA）的多色染料检测这三种组分的作用机制。
这项研究也解决了另一个秘密：FtsZ如何构建细胞壁？这些研究人员发现在FtsAZ纤维中排列的FtsZ在一端不断地丢失一个分子，在另一端不断地获得一个分子，从而导致在细胞边缘发生一种被称作踏车（treadmilling）的圆周运动。
印第安纳大学研究人员利用化学手段对细菌细胞进行标记以便开展分析。哈佛大学研究人员开展实验，展示了FtsZ和PBP蛋白在这些细胞内部的运动。
doi:10.1126/science.aal0092; doi:10.1126/science.aam7935
在一项新的研究中，美国杰克逊实验室教授和霍华德-休斯医学研究所研究员Simon W.M. John领导的一个研究团队报道，在遗传上易患上青光眼的模式小鼠体内，添加维生素B3到饮用水中可有效地阻止这种疾病。
通过在易患上遗传性青光眼的模式小鼠体内开展一系列基因组测试、代谢测试、神经学测试和其他测试，并且与对照小鼠进行比较，John团队发现作为一种在神经元和其他细胞的能量代谢中起着至关重要的分子，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD）的水平随着年龄的增加而下降。
事实上，维生素B3（烟酰胺，即维生素B3的氨化物）治疗会提高老化的视网膜神经节细胞的代谢可靠性，从而让它们在更长的时间里保持更健康。
John团队也发现针对Nmnat1（该基因编码一种利用烟酰胺制造NAD的酶）的单次基因疗法阻止这种模式小鼠患上青光眼。他注意到注射到眼睛中的基因疗法已被批准用于治疗几种非常罕见的人类遗传性眼睛疾病，而且他们证实一种重要的年龄依赖性因子可能能够让基因疗法用于治疗更加常见的眼睛疾病。
John说，该团队正在寻求临床试验伙伴关系以便在青光眼病人中测试维生素B3疗法的有效性。他们也正在探究这种疗法在治疗涉及神经退化的其他疾病中的潜在应用。
doi:10.1126/science.aah5982; doi:10.1126/science.aai8355; doi:10.1126/science.aam7917
我们都知道，如果想让白天学到的知识更加的巩固，那么最好晚上要睡个好觉。虽然很久以来科学家们已经了解我们的记忆储存于大脑的神经元连接中，但睡眠对于信息的储存以及巩固具有怎样的作用还不清楚。如今，有两项研究能够帮助我们解释这一长久以来的谜题。
来自威斯康星大学以及约翰霍普金斯大学的研究者们提出了睡眠的另外一个好处，即它能够精细地修剪我们白天学习产生的记忆。这种所谓的"突触稳态调节理论"并不是最新的产物。来自威斯康星大学的研究者们早在10年之前就提出了这样的假说，他们认为睡眠阶段大脑神经元之间的连接将会被断开，从而将记忆变得更加清晰。
当我们经历新鲜事物时，大脑的突触连接将会发生结合的增强或减弱。而我们的记忆证实储存于上述交错连接的神经元中。神经元突触之间连接的强度与数量决定了我们记忆的效率。
在过去四年来，生物学家们在小鼠水平进行了一系列的检测，通过分析其清醒状态与睡眠状态下神经连接的情况，他们发现睡眠时期的小鼠大脑神经连接网络的大小要比清醒状态下的小鼠小18%。
对此，他们认为接受新的信息需要额外的能量去建立新的神经连接，而睡眠能够帮助大脑复位、整合已有的信息，从而腾出多余的资源以供后续的学习。
来自约翰霍普金斯大学的研究者们则通过向小鼠的神经元突触中导入一个荧光标志物，观察发现其荧光强度的变化与神经突触连接的大小存在明显的正向相关性。进一步，他们发现
经过一系列的体内试验，研究者们认为睡眠是一项十分复杂的过程，涉及到免疫系统、消化系统等多个系统的协同作用。
doi:10.1126/science.aal3316
在一项新的研究中，美国研究人员开发出一种强大的新方法将化学物选择性地连接到蛋白上。这种在操纵生物分子上取得的重大进展可能引发药物开发、蛋白检测以及分子追踪和可视化观察 方式的变革。
这种被称作氧化还原活化化学标记（redox activated chemical tagging, ReACT）的新技术是由美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室开发的。它可能根本上改变生物偶联过程，即将化学物和 标记物附着到生物分子（特别是蛋白）上。
论文共同通信作者F. Dean Toste将这种生物偶联过程比作为货物（如化学物，药物）搭小卡车（如蛋白，抗体）的便车。
传统上，生物偶联依赖于高度活性的半胱氨酸。半胱氨酸经常用作标记物和化学基团的附着点，这是因为它是两种含有硫原子的氨基酸之一，为酸碱化学反应提供一个锚点，并且很容易对它 进行修饰。但是，半胱氨酸经常参与蛋白的实际功能，因此将“货物搭载”到半胱氨酸上会导致不稳定性和破坏它的自然功能。
针对这个原因，人们一直在寻找避免使用半胱氨酸的方法，他们自然地转向蛋氨酸，即除半胱氨酸之外，唯一能够获得的含有硫原子的氨基酸。然而，蛋氨酸有一个额外的碳原子附着到它的 硫原子上，这会阻断大多数的“货物搭载”。在这项新的研究中，美国研究人员利用一种氧化还原反应开发出一种新的搭载方法，这种方法允许货物附着到蛋氨酸的硫原子上，而且这个额外 的碳原子仍然附着到这个硫原子上。
蛋氨酸的一个关键优点是它是一种相对罕见的氨基酸，这允许研究人员选择性地靶向它，同时具有较少的副作用，也对生物分子产生较少的影响。
他们通过合成一种抗体-药物偶联物对ReACT进行测试，突出表明了这种技术可用于生物治疗。他们也鉴定出烯醇化酶（一种代谢酶）是一种潜在的癌症治疗靶标，从而证实这种技术可能有助 靶向用于药物发现的新靶标。
11.Science：细胞器分配决定着干细胞命运
doi:10.1126/science.aah4701
当大多数细胞发生分裂时，它们仅是产生更多的自己。但是负责修复受损组织的干细胞面临着一种选择：它们能够产生更多的新的干细胞，或者分化为皮肤细胞、肝细胞或身体内几乎任何一种特定细胞类型。
在一项新的研究中，来自美国洛克菲勒大学的研究人员发现这种关键性的决定取决于作为微小器官样结构的细胞器是否在分裂中的干细胞内正确地分配。
作为皮肤的外部，表皮给身体提供一种保护性屏障，而干细胞位于它的内部深处。在发育期间，干细胞发生不对称分裂，产生两个子细胞：一个子细胞保持自我更新的能力，仍然停留在内部，而另一个子细胞发生分化，向往迁移，变成表皮外层的一部分。
通过研究发育中的小鼠皮肤，论文第一作者Amma Asare设计出一种方法来鉴定协助指导保持干性的子细胞和发生分化的子细胞处于平衡的基因。一种特定的蛋白Pex11b引起了她的关注。它与过氧物酶体膜结合。过氧物酶体是一种协助食物释放能量的细胞器。
Asare证实这种蛋白的作用机制似乎是确保过氧物酶体位于合适的位置，因此它们能够在两个子细胞之间分配。在缺乏Pex11b的干细胞中，过氧物酶体不能均匀地分配，在一些情形下，一个子细胞获得全部的过氧物酶体，而另一个子细胞则没有获得任何过氧物酶体。对于那些过氧物酶体分布受到破坏的干细胞而言，细胞分裂需要花费更长时间，而且作为分离子细胞遗传物质的结构，纺锤体并不能够正确地对齐。
Asare发现剔除干细胞中的Pex11b的最终结果是更少的子细胞能够分化为成熟的皮肤细胞。
doi:10.1126/science.aah4563
蚊子喜欢叮咬已感染上疟疾的人，而且明显是由某种气味引起的。如今，在一项新的研究中，瑞典研究人员说，他们鉴定出疟原虫分泌出的一种物质触发人体产生这种气味，而且这种气味仅为蚊子所察觉到。
瑞典研究人员报道，在血液中，疟原虫释放一种特定的物质，即类异戊二烯前体分子：(E)-4-羟基-3-甲基-丁-2-烯基焦磷酸（HMBPP）。这种物质与疟疾感染者的血细胞混合在一起，从而产生一种似乎特别吸引蚊子的芳香气味。
在当前的这项研究中，瑞典研究人员小心翼翼地释放上百只蚊子（逐只地释放）到一个Y型三通管中。这个Y型三通管中加有混合这种疟疾物质的人血液，或者人血液。大约95%的蚊子直接飞入到混合这种疟疾物质的人血液中。
Emami和她的同事们也发现这些蚊子吞食更多的携带这种疟疾物质的血液，因此在理论上，这应当会更快地扩散疟疾。
这一发现是吸引人的，但是还需要在实验室外进行测试。
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科学期刊的亮点研究。
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不断学习，不断提高
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牛逼了，这么样的技术
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气味感知的非常复杂的生物学特征提供新的认识
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睡眠能够帮助大脑复位、整合已有的信息，从而腾出多余的资源以供后续的学习。
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