傷口癒合無疤痕新研究!四月Science十大亮點匯總

1.Science:阻止成纖維細胞的Engrailed-1基因激活可使皮膚傷口癒合而不留下疤痕

doi:10.1126/science.aba2374; doi:10.1126/science.abi5770

皮膚傷口一般通過形成疤痕來癒合,這是一種由表達Engrailed-1(En1)基因的成纖維細胞譜系介導的纖維化過程。

近日,美國斯坦福大學的一支研究團隊在《科學》上發表相關論文,科學家們揭示了皮膚形成傷疤的分子機制,並且針對這一機制,找到一款已經被美國FDA批准的藥物。通過小鼠實驗證明,這種藥物具有讓傷口恢復正常的驚人效果。

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皮膚成纖維細胞中的Engrailed-1激活導致疤痕形成,圖片來自Science, 2021, doi:10.1126/science.aba2374。

研究人員在一系列小鼠實驗中發現,一部分原本不表達En1成纖維細胞,在疤痕形成過程中,卻開始表達En1。隨後,他們設計了體外實驗,將不表達En1的小鼠成纖維細胞,分別放在三種機械力不同的實驗環境中培養,觀察它們的變化。結果顯示,成纖維細胞能夠感受到組織的力學變化,並導致En1基因激活。

研究團隊還確認了機械力變化可以使成纖維細胞激活En1,促進疤痕形成。順着這一思路,研究人員找到了一種藥物維替泊芬(verteporfin),該藥物已獲得美國FDA的批准,用於治療眼病。這種藥物分子通過抑制機械力信號轉導的關鍵因子,阻斷細胞中的機械應變信號。在小鼠傷口癒合模型中,當研究人員在傷口上施加了維替泊芬后,結果令人震驚:癒合的皮膚看起來完全正常!

2.Science:新研究揭示紋狀體多巴胺升高可導致幻覺

doi:10.1126/science.abf4740; doi:10.1126/science.abh1310

精神疾病給人類、社會和經濟帶來巨大負擔。過去幾十年來,精神疾病的預后並沒有取得實質性的改善。

在一項新的研究中,來自美國冷泉港實驗室和華盛頓大學醫學院的研究人員開發出了一種跨物種計算精神疾病的方法,從而直接將人類和嚙齒類動物的行為聯繫起來,並利用這種方法研究小鼠幻覺樣知覺的神經基礎。相關研究結果發表在2021年4月2日的Science期刊上。

他們設計了一種計算模型,用於解釋當先前的期望大於感覺證據時,幻覺樣知覺的出現是錯誤的知覺推斷的結果。這種模型闡明了幻覺樣知覺是如何從兩種不同類型的期望的波動中產生的:獎賞期望和知覺期望。在小鼠中, 腹側紋狀體中的多巴胺波動反映了獎賞期望,而在紋狀體尾部中的多巴胺波動反映了知覺期望。他們利用光遺傳學手段增加了紋狀體尾部中的多巴胺,觀察到多巴胺的增加引起了幻覺樣知覺。這種影響可通過給送氟哌啶醇(haloperidol, 一種阻斷D2多巴胺受體的抗精神疾病藥物)來拯救。

3.Science:間歇性「休整」通過表觀遺傳學重塑過程恢復CAR-T細胞功能

doi:10.1126/science.aba1786; doi:10.1126/science.abh0583

嵌合抗原受體T細胞療法(簡稱 「CAR-T」)正越來越多地被應用於腫瘤患者的治療。CAR-T細胞療法在血液系統癌症患者中顯示出令人鼓舞的結果,但其抗癌活性可能受到CAR-T細胞功能有效性的限制。在最近一項研究中,來自斯坦福大學醫學院的Crystal L. Mackall教授課題組表徵了連續活動引起的CAR-T細胞衰竭相關的表型和表觀基因組變化,以及短暫休息對於恢復其功能的有益作用。

作者測試了不同類型的「 間歇性休息」處理,例如使用藥物dasatinib暫時抑制T細胞活性,這有助於防止CAR-T細胞衰竭並能夠有效改善小鼠模型中的CAR-T細胞抗腫瘤活性。相關結果發表在最近的《Science》雜誌上。

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給衰竭CAR-T細胞提供「剎車」,圖片來自Science, 2021, doi:10.1126/science.aba1786。

作者通過誘導「衰竭」的CAR-T細胞間歇性靜息,它們的命運從衰竭轉移到記憶樣狀態。在已經具有「衰竭」特徵的CAR-T細胞中,靜息誘導僅4天就使其表型逆轉,並誘導轉錄重編程和整體表觀遺傳重塑。此外,「衰竭」的CAR-T細胞經過休息后,其抗腫瘤活性得到充分地恢復,功能恢復的程度與休息的時間長短有關,並且與疲憊相關的轉錄因子TOX的表達減少和記憶相關的轉錄因子LEF1和TCF1的表達增加有關。

之後,作者發現CAR-T細胞功能的恢復取決於組蛋白甲基轉移酶EZH2的活性,這與表觀遺傳重塑的現象相符。通過使用小鼠腫瘤移植模型,作者發現:與對照CAR-T細胞相比,通過CAR表達的振蕩或dasatinib在體內進行誘導間歇性「休整」的CAR-T細胞表現出更好的抗腫瘤能力和更高的存活率。單細胞分析表明,單次dasatinib刺激足以誘導「衰竭」的腫瘤浸潤性CAR-T細胞產生記憶表型並增強其抗腫瘤功能。

4.Science:重大突破!千萬不要單個拆散,不然我就投毒!我國科學家揭示CRISPR-Cas系統對宿主細胞成癮機制

doi:10.1126/science.abe5601

在目前的基因組序列數據庫中,約40%的細菌和約90%的古細菌基因組攜帶CRISPR-Cas位點,這表明除了適應性免疫的直接益處外,可能還存在減輕CRISPR系統的成本並防止其損失的機制。

在一項新的研究中,來自中國科學院、中國科學院大學和四川師範大學等研究機構的研究人員特別研究了一種古細菌I-B型CRISPR-Cas系統,它包括一個長311個鹼基對(bp)的基因間區域,在這種系統中,編碼CRISPR效應物Cascade亞基的基因不能單獨剔除,但可以很容易地作為一個整體剔除。這些觀察結果表明,Cascade基因盒(cas6-cas8-cas7-cas5)包括一個有毒成分,使其對宿主成癮(一旦任何一個cascade基因被剔除就會引起細胞毒性)。相關研究結果發表在2021年4月30日的Science期刊上。

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毒素-抗毒素RNA對CreTA保護CRISPR-Cas,圖片來自Science, 2021, doi:10.1126/science.abe5601。

5.Science:我國科學家從結構上揭示預起始複合物在核心啟動子上的組裝機制

doi:10.1126/science.aba8490

RNA聚合酶II(Pol II)介導的轉錄起始需要組裝一種預起始複合物(preinitiation complex, PIC),在此期間,14個亞基的轉錄因子IID(TFIID)識別核心啟動子並招募TFIIA、TFIIB、TFIIE、TFIIF、TFIIH和Pol II,依次組裝核心PIC(core PIC, cPIC)、中間PIC(intermediate PIC, mPIC)和全PIC(holo PIC, hPIC)。教科書上的轉錄起始模型是從TBP(TATA框結合蛋白,TFIID的一個亞基)與TATA框的結合開始的。

然而,多達85%的編碼基因缺乏共有的TATA框,而且幾乎所有Pol II介導的基因轉錄都需要TFIID複合物。儘管對基於TBP的PIC在TATA框啟動子上進行了廣泛的結構研究,但TFIID如何支持PIC在不同啟動子上的組裝仍然是不清楚的。

在一項新的研究中,來自中國復旦大學的研究人員重建了基於TFIID的人PIC,並解析出它的低溫電鏡結構。在13個不同的(天然的、複合的和突變的)啟動子上,通過25種處於不同組成和構象狀態的複合物結構來描述PIC的逐步組裝。Pol II、TFIID模塊和TBP-啟動子在近原子分辨率下的結構允許進行詳細的結構分析。相關研究結果發表在2021年4月30日的Science期刊上。

6.Science:新研究揭示腸道杯狀細胞的多樣性,並發現隱窩間杯狀細胞亞群對維持結腸粘液屏障功能至關重要

Science, 2021, doi:10.1126/science.abb1590

在結腸中,粘液層作為一種屏障,抑制了上皮與密集的微生物群體的直接接觸。這一系統存在缺陷是結腸炎的標誌。粘液層在結構上依賴於高分子粘蛋白MUC2,它是由杯狀細胞(goblet cell, GC)—通常被視為同質細胞類型的特殊分泌細胞—合成的。已有研究發現GC亞群的不同功能特徵,包括不同的粘液生物合成率和對細菌的反應,這表明GC群體實際上可能是異質的。

在一項新的研究中,來自瑞典哥德堡大學和美國加州大學戴維斯分校的研究人員描述了腸道GC表達的多樣性,並確定了一個定位在隱窩間表面上皮(intercrypt surface epithelium)的特定GC亞群如何在功能上促進粘液屏障的形成。相關研究結果發表在2021年4月16日的Science期刊上。

通過使用mCherry-MUC2轉基因小鼠來分選和分離GC,這些作者生成了轉錄組和蛋白質組圖譜來表徵小腸和結腸中的GC表達景觀。在結腸中,分化程度最高的GC定位在隱窩之間表面上皮的高粘液周轉細胞,這被稱為隱窩間GC(intercrypt GC, icGC)。

他們利用粘液的凝集素結合特徵來解析活組織外植體中粘液的三維結構。結果表明,icGC分泌不同的粘液,所分泌的粘液填補了從隱窩開口分泌的粘液羽(mucus plume)之間的空間區域。這種隱窩間粘液是細菌大小的珠子無法滲透的;然而,與隱窩羽粘液(crypt plume mucus)相比,它對小分子更易滲透。可滲透的表面粘液可能對離子和其他化合物的吸收很重要,而隱窩區室內更密集的粘液有助於屏蔽幹細胞壁龕(stem cell niche)。

這兩種粘液亞型似乎對粘液的整體保護功能很重要,因為由隱窩間粘液和隱窩羽粘液混合而成的網狀組織形成了對細菌不可滲透的屏障。缺乏正常隱窩間粘液的icGC功能障礙小鼠模型表現出粘液屏障不足,更容易發生化學誘導的和自發性(年齡依賴性)的結腸炎,這證明了icGC在維持功能性粘液屏障中不可或缺的作用。此外,來自潰瘍性結腸炎患者—包括那些緩解期的患者–的活組織檢查結果顯示GC脫落增加,icGC數量減少。這些特徵與粘液屏障的結構性缺陷有關,包括隱窩間粘液的間隙。這種間隙暴露了表面上皮的區域。

7.Science:揭示PCDH19-Ncad不匹配導致女性特異性PCDH19障礙

doi:10.1126/science.aaz3893; doi:10.1126/science.abh3555

X連鎖PCDH19(Protocadherin-19)基因突變可導致PCDH19障礙(PCDH19 disorder)並伴有癲癇。PCDH19障礙常伴有認知障礙和智力障礙。通常情況下,由於X連鎖隱性遺傳,X連鎖障礙在男性身上表現出更嚴重的表型。相比之下,PCDH19障礙的癥狀表現在雜合子女性身上,而半合子男性則基本無癥狀。為什麼會出現這種不尋常的表現尚不清楚。

PCDH19編碼一種單跨膜蛋白,該蛋白通過胞外鈣粘蛋白結構域的同種親合性結合(homophilic binding)介導細胞-細胞粘附。在PCDH19障礙中發現的大多數PCDH19突變改變了PCDH19蛋白胞外結構域的位點,這表明這些突變可能影響PCDH19的同種親合性相互作用,從而影響細胞-細胞粘附。

在一項新的研究中,來自美國哈佛醫學院的研究人員探究了PCDH19在大腦中的確切作用,以及女性特異性疾病表型的分子、突觸和迴路基礎。相關研究結果發表在2021年4月16日的Science期刊上。

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PCDH19-Ncad不匹配是女性特異性PCDH19障礙的基礎。圖片來自Science, 2021, doi:10.1126/science.aaz3893。

PCDH19障礙在雜合子女性中有癥狀表現,但在半合子男性中沒有癥狀表現。由於雜合子女性發生隨機的X染色體失活,她們體內表達PCDH19野生型的細胞和表達PCDH19突變體的細胞混合在一起,因此有人提出PCDH19的這種鑲嵌表達引起致病癥狀。

研究者們培育出了PCDH19障礙的動物模型(Pcdh19突變小鼠)。PCDH19蛋白在海馬體苔蘚纖維突觸中高度表達,他們研究了PCDH19在苔蘚纖維突觸發育、功能和相關認知行為中的作用;Pcdh19突變小鼠中雌性雜合子特異性缺陷的分子基礎;PCDH19和N-鈣粘蛋白(N-cadherin, Ncad)之間的潛在相互作用。

PCDH19已被提出與Ncad形成順式複合物,這可能會掩蓋Ncad的同種親合性結合能力。如果PCDH19的表達是鑲嵌式的(Pcdh19HET),那麼PCDH19-Ncad順式複合物不能介導PCDH19陽性細胞和PCDH19陰性細胞之間的細胞間信號。這種PCDH19-Ncad不匹配將導致下游細胞內信號減少和細胞缺陷。他們在苔蘚纖維突觸中測試了這種可能性。

這些作者發現,Pcdh19HET小鼠但不是Pcdh19HEMI小鼠表現出苔蘚纖維突觸前發育的缺陷,而苔蘚纖維靶向性、樹突棘發育或突觸后發育沒有變化。Pcdh19HET小鼠但不是Pcdh19HEMI小鼠表現出神經遞質釋放概率降低,苔蘚纖維長期電位(LTP)受損,苔蘚纖維依賴性認知功能(模式完成和分離)缺陷。此外,他們發現PCDH19似乎與Ncad在苔蘚纖維突觸中相互作用。在Pcdh19HET條件下,PCDH19和Ncad之間的不匹配損害了Ncad依賴的β-連環蛋白(β-catenin)信號轉導和苔蘚纖維突觸前發育。在Pcdh19HET小鼠中過表達Ncad不僅恢復了苔蘚纖維突觸中的β-連環蛋白簇集,而且恢復了突觸功能,這表明Ncad功能受損是Pcdh19HET小鼠體內觀察到的疾病表型的基礎。

8.Science:揭示膿腫分枝桿菌的逐步致病性進化

doi:10.1126/science.abb8699; doi:10.1126/science.abi5695

目前,CF(囊性纖維化)患者中超過70%的感染是由遺傳上簇集(並因此傳播)的分離株引起的,其中大部分來自過去50年內出現並已在全球範圍內傳播的三個優勢循環克隆(dominant circulating clone, DCC)。這些簇集的分離株在體外和體內測試時毒性更強,並導致更糟糕的臨床結果,這表明它們正在從環境腐生菌演變為專性肺部病原菌。

在一項新的研究中,英國研究人員推斷,對膿腫分枝桿菌的功能基因組分析可能會鑒定出這一進化軌跡中重要的可推廣的步驟,並強調潛在的干預措施,以減輕這一過程對這種分枝桿菌和其他新出現的分枝桿菌病原菌的影響。相關研究結果發表在2021年4月30日的Science期刊上。

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分支杆菌致病性進化的步驟,圖片來自Science, 2021, doi:10.1126/science.abb8699。

這些作者最初試圖了解DCC是如何出現的。通過使用圖形化的泛基因組分析,他們發現水平基因轉移–特別是全局轉錄調節因子的基因轉移—可以提供一種在環境中的膿腫分枝桿菌分離株中產生巨大的表型差異從而使跳躍式進化(saltational evolution)朝着增強人類感染性方向發展的重要機制。這一過程可能在整個分枝桿菌物種中具有普遍性,在這些物種中,基因的獲得或丟失事件與幾個物種中毒性克隆的致病性進化有關,包括鳥分枝桿菌中的簇集1a,卡氏分枝桿菌中的克隆A,以及來自類似卡氏分枝桿菌的祖先(M. canettiiClike ancestor)的單繫結核分枝桿菌複合群(monophyletic M. tuberculosis complex)。

接下來,這些作者研究了感染性膿腫分枝桿菌克隆的持續適應性是否能進一步促進致病性。他們重建了長期感染的患者體內單個膿腫分枝桿菌亞克隆的進化軌跡,發現個體內部和個體之間的趨同異域進化(convergent allopatric evolution)是致病性適應的關鍵驅動力。具體來說,來自單一功能網絡的一小部分基因中的頻發突變可能會驅動巨噬細胞生存能力的增強和體內毒力的增加。

這些作者觀察到許多適應性突變的傳播適應性降低。對於兩個經常突變的基因(phoR和GPL基因座),基因敲除膿腫分枝桿菌顯示出在病媒的生存能力受損。這些發現表明,宿主內部的進化受到限制,而傳播需要一個環境中介。

9.Science:揭示蛋白QSER1保護DNA甲基化谷免受新生甲基化

doi:10.1126/science.abd0875; doi:10.1126/science.abh3187

DNA甲基化對哺乳動物的發育至關重要,它的失調可導致嚴重的病理狀況,包括免疫缺陷-着絲粒不穩定-面部異常綜合征(immunodeficiency-centromeric instability-facial anomalies syndrome, ICF)和小腦性侏儒症(microcephalic dwarfism)。酶DNMT和TET負責DNA甲基化的添加和去除,但它們如何協調調節甲基化景觀仍然是一個核心問題。

在一項新的研究中,通過使用一種基因敲入的DNA甲基化報告基因,美國研究人員在人胚胎幹細胞(hESC)中進行了全基因組CRISPR-Cas9篩選,以發現DNA甲基化調節因子。相關研究結果發表在2021年4月9日的Science期刊上。

這些作者重點研究了二價啟動子(bivalent promoter),其定義為同時存在激活性(H3K4me3)和抑制性(H3K27me3)組蛋白標記,並且通常由多梳抑制複合物1和2(PRC1和PRC2)佔據。在幹細胞或祖細胞中,二價啟動子被認為將發育調節因子維持在「蓄勢待發的狀態」,準備在分化時激活,並且它們對在功能失調的細胞背景(比如癌症或衰老)下的DNA高度甲基化敏感。構建一種基因敲入DNA甲基化報告細胞系提供了一個可視化觀察表觀遺傳改變的絕佳機會,否則在幹細胞狀態下,基因表達變化是「看不見的」。通過使用PAX6 P0二價啟動子作為代表位點,這些作者旨在在具有類似染色質特徵的區域發現調節DNA甲基化的機制,這不僅可以了解發育過程中的基因調控,也可以了解疾病中的表觀遺傳失調。

他們的篩選不僅成功地發現了已知的甲基化調節因子,如TET1、TDG和KDM2B,而且還發現了功能上未被描述的基因,包括QSER1。像TET蛋白一樣,QSER1保護二價啟動子和準備好的增強子(以H3K4me1為標誌,但不以H3K27ac為標誌)免受高度甲基化的影響。然而,與TET蛋白對調控區域的更普遍的保護作用不同,QSER1優先保護PRC2結合和H3K27me3標記的區域和DNA甲基化谷(DNA methylation valley, DMV)。

10.Science:利用新開發的intMEMOIR系統追蹤細胞譜系

doi:10.1126/science.abb3099

細胞譜系在發育、穩態和疾病期間的細胞命運決定中起着關鍵作用。然而,大多數現有的記錄系統都依賴於測序來讀出這些編輯,這必然會破壞組織。因此,科學家們需要一種能夠準確地基於成像地在原位讀出單細胞編輯歷史和轉錄狀態的記錄系統。

為了解決這一挑戰,美國研究人員開發出一種基於位點特異性絲氨酸整合酶(如Bxb1)的數字化、圖像可讀的譜系記錄系統。這種稱為intMEMOIR(integrase-editable memory by engineered mutagenesis with optical in situ readout)的系統引入了基於10個三態記憶元件陣列的設計。每個記憶元素都可以被數字化和不可逆地編輯,以產生理論上最多310(59049)個不同的編輯結果。這些數字狀態可以使用熒光原位雜交(FISH)方法與內源性轉錄本一起被讀出。此外,這些陣列可以在確定的基因組位點進行整合,以實現生殖系遺傳性。編輯可以在不同的有機體和背景下操作,包括小鼠胚胎幹細胞(mESC)和黑腹果蠅胚胎。相關研究結果發表在2021年4月9日的Science期刊。

傷口癒合無疤痕新研究!四月Science十大亮點匯總

intMEMOIR支持同時分析細胞譜系、狀態和空間結構。圖片來自Science, 2021, doi:10.1126/science.abb3099。

intMEMOIR可以同時分析同一組織中的單細胞譜系、基因表達和空間結構。這種能力使得它能夠直接捕捉其他隱藏的關係,如在這項研究展示的果蠅大腦發育的例子那樣。intMEMOIR應當很容易適應其他的模型生物和發育背景。此外,通過增加更多的記憶陣列和正交整合酶,該系統可以擴展,以實現更深的譜系樹重建和多個記錄「通道」。因此, intMEMOIR應當有助於創建整合譜系和空間信息以及分子剖面的細胞圖譜。