2023年6月Cell期刊精华

2023-06-29

2023年6月份即将结束，6月份Cell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.Cell：重大进展！我国科学家基于人工智能的蛋白结构聚类分析，发现一系列新的碱基编辑器

doi:10.1016/j.cell.2023.05.041

在一项新的研究中，中国科学院遗传与发育生物学研究所的高彩霞（Gao Caixia）课题组率先使用人工智能（AI）辅助的方法，通过结构预测和分类发现具有独特功能的新型脱氨酶蛋白。这种方法为发现和构建理想的植物遗传性状开辟了一系列的应用。相关研究结果于2023年6月27日在线发表在Cell期刊上，论文标题为“Discovery of deaminase functions by structure-based protein clustering”。

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来源: 生物谷

图片来自Cell, 2023, doi:10.1016/j.cell.2023.05.041。

仅仅基于蛋白工程和定向进化的传统努力有助于使碱基编辑特性多样化，但挑战仍然存在。在这项新的研究中，通过使用AlphaFold2预测脱氨酶蛋白家族中蛋白的结构，高彩霞课题组根据结构相似性对脱氨酶进行了聚类和分析。他们在DNA碱基编辑器的背景下鉴定了五种新的具有胞苷脱氨活性的脱氨酶集群。

利用这种方法，他们进一步对一组称为SCP1.201的以前被认为作用于dsDNA的胞苷脱氨酶进行重新分类：它们主要在ssDNA上进行脱氨。通过随后的蛋白分析和工程化努力，他们开发了一套具有显著特征的新的DNA碱基编辑器。这些脱氨酶表现出更高的效率、更低的脱靶编辑事件产生、在不同的首选序列基序上进行编辑，以及更小的尺寸等特性。

2.Cell：新研究有助于确定使我们成为人类的基因变化

doi:10.1016/j.cell.2023.05.043

大约700万年前，人类从我们最接近的动物亲戚黑猩猩那里分离出来，在进化树上形成了我们自己的分支。在此后的时间里---从进化的角度看是短暂的---我们的祖先进化出了使我们成为人类的性状，包括比黑猩猩大得多的大脑和更适合用双脚行走的身体。这些身体上的差异是由我们的DNA水平上的微妙变化所支撑的。然而，在我们和黑猩猩之间的许多微小的基因差异中，很难说哪些对我们的进化有意义。

在一项新的研究中，美国怀特黑德研究所成员Jonathan Weissman、加州大学旧金山分校助理教授Alex Pollen、Weissman实验室博士后Richard She、Pollen实验室研究生Tyler Fair及其同事们利用Weissman实验室开发的前沿工具，将人类和黑猩猩如何依赖某些基因的关键差异的范围缩小了。这一发现可能为人类和黑猩猩如何进化---包括人类如何能够长出相对较大的大脑---提供独特的线索。相关研究结果于2023年6月20日在线发表在Cell期刊上，论文标题为“Comparative landscape of genetic dependencies in human and chimpanzee stem cells”。

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来源: 生物谷

图片来自Cell, 2023, doi:10.1016/j.cell.2023.05.043。

人类和黑猩猩之间只有少数几个基因有根本性的不同；这两个物种的其他基因通常几乎是相同的。这两个物种之间的差异往往归结于细胞何时以及如何使用这些几乎相同的基因。然而，这两个物种在基因使用方面的许多差异中，仅其中的一些差异导致了身体性状上的巨大变化。这些作者开发了一种方法来缩小这些有影响的差异的范围。

他们的方法使用由人类和黑猩猩皮肤样本衍生而来的干细胞，依赖于Weissman实验室开发的一种名为CRISPR干扰（CRISPRi）的工具。CRISPRi使用CRISPR/Cas9基因编辑系统的改进版本，有效地关闭单个基因。他们使用CRISPRi在一组人类干细胞和一组黑猩猩干细胞中一次关闭每个基因。

接着，这些作者研究了这些干细胞是否以正常速度增殖。如果这些干细胞不再快速增殖或完全停止，那么被关闭的基因就被认为是细胞茁壮生长所必需的。他们寻找一个基因在一个物种中是必不可少的而在另一个物种中不是必不可少的例子，以此来探索人类和黑猩猩干细胞发挥功能的基本方式是否存在根本差异，以及如何存在根本差异。

通过寻找特定基因失效后细胞功能的差异，而不是寻找DNA序列或基因表达的差异，这种方法忽略了那些似乎不会影响细胞的差异。如果物种之间的基因使用差异在细胞水平上有很大的、可测量的影响，这很可能反映了不同物种之间在更大的物理尺度上的有意义的差异，因此以这种方式确定的基因可能与人类和黑猩猩进化过程中出现的区别性特征有关。

3.Cell：发现一种启动细胞内有缺陷的蛋白靶向降解的新机制

doi:10.1016/j.cell.2023.05.035

我们细胞中的所有生物过程都被不断监测，以防止缺陷蛋白的积累。在最坏的情况下，这样的蛋白团块会引发疾病。新蛋白的合成特别容易出现错误。随后出现差错的蛋白必须被我们的细胞清除。在此之前，人们还不清楚这一过程究竟是如何运作的。

在一项新的研究中，来自德国马克斯-普朗克生物化学研究所的研究人员如今发现了一种能够启动有缺陷的蛋白的靶向降解的新机制。蛋白GCN1在这一过程中是至关重要的。相关研究结果于2023年6月19日在线发表在Cell期刊上，论文标题为“Mechanisms of readthrough mitigation reveal principles of GCN1-mediated translational quality control”。

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来源: 生物谷

图片来自Cell, 2023, doi:10.1016/j.cell.2023.05.035。

使用一种称为选择性核糖体图谱分析（selective ribosome profiling, SeRP）的技术获得了关键的见解，该技术可以确定核糖体在mRNA上的确切位置。这些作者寻找所有与GCN1蛋白结合的核糖体的位置，无论它们是仍在行驶还是已经卷入了一场碰撞。他们发现，当一个核糖体产生的氨基酸链过长并且在这个过程中越过了它的实际停止信号时，GCN1蛋白就会进行干预。因为在这种情形下，两个核糖体之间的碰撞次数增加，GCN1蛋白就会呼吁进行事故清理。

此外，这些作者发现，蛋白GCN1不仅参与监测超限的停止信号。特别是，GCN1富集在对编码膜蛋白和胶原蛋白的mRNA进行翻译的核糖体上。更深入的分析表明一个共同特征是所谓的非最佳密码子（non-optimal codon），其中密码子是基因组上的一个核苷酸序列，其功能就像道路上的限速。此外，他们还发现蛋白GCN1对核糖体事故的稳定也会招募分子伴侣（molecular chaperone）来到事故现场。分子伴侣是一类帮助其他蛋白正确折叠的蛋白。

4.Cell：新研究揭示哺乳动物长寿的多种机制

doi:10.1016/j.cell.2023.05.002

在一项新的研究中，来自美国布莱根妇女医院的研究人员发现了41种哺乳动物的长寿基因表达特征，并将这些特征与延长寿命的干预措施和哺乳动物衰老的生物标志物进行比较。这项新的研究揭示了哺乳动物长寿的独特而普遍的分子机制，并为确定延长寿命的干预措施提供了新的方法。相关研究结果于2023年6月2日在线发表在Cell期刊上，论文标题为“Distinct longevity mechanisms across and within species and their association with aging”。

论文共同第一作者、布莱根妇女医院的Alexander Tyshkovskiy博士说，“长寿有多种机制，其中的一些机制可以通过简单的干预措施诱导，而另一些机制则通过数百万年的进化发展起来。我们认为，如果我们真地想延长人类的寿命，我们应该靶向那些不仅在短命的哺乳动物（如小鼠）中驱动寿命延长而且在寿命很长的物种中也是保守的分子机制。”

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来源: 生物谷

图片来自Cell, 2023, doi:10.1016/j.cell.2023.05.002。

哺乳动物的寿命在不同的物种中表现出很大的差异，大型动物通常寿命更长。然而，这一规则也有例外。同一种物种内不同不同个体的寿命也是可变的。数十种干预措施已被证明可以延长小鼠的寿命，如生长激素受体敲除、雷帕霉素和卡路里限制。

然而，物种内不同个体的寿命通常与大小呈负相关。同一物种中较小的个体往往寿命更长，如小型犬种和侏儒小鼠的平均寿命更高。这表明与较长寿命相关的机制在不同物种之间和统一物种内可能是不同的。然而，到目前为止，还缺乏对长寿的多种分子特征进行全面的比较。

论文通讯作者、布莱根妇女医院医学教授Vadim Gladyshev说，“这项新的研究揭示了控制同一物种内和不同物种寿命的机制的巨大多样性。它还为衰老研究提供了新的分子工具，并暴露了确定延长寿命和健康寿命（healthspan）的新方法的未开发潜力。”

5.Cell：组合使用CDK2抑制剂和CDK4/6抑制剂有望治疗抗药性乳腺癌

doi:10.1016/j.cell.2023.05.013

在一项新的研究中，来自美国科罗拉多大学博尔德分校的研究人员发现癌细胞比科学家们之前认为的还要聪明。当这些癌细胞遭遇旨在防止癌症增殖的称为CDK2抑制剂的强效新药时，它们可以在短短一到两个小时内触发一种变通方法，在这类药物的攻击中存活下来。相关研究结果发表在2023年6月8日的Cell期刊上，论文标题为“Rapid adaptation to CDK2 inhibition exposes intrinsic cell-cycle plasticity”。

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图片来自Cell, 2023, doi:10.1016/j.cell.2023.05.013。

具体而言，这些作者揭示了癌细胞如何完成这种适应，并表明同时给送第二种已经广泛使用的药物可能会阻止癌细胞并缩小抗药性肿瘤。这些发现支持了这样一个观点：当涉及到治疗抗药性乳腺癌时，两种药物组合使用可能比一种更好。

论文通讯作者、科罗拉多大学博尔德分校生物化学副教授Sabrina Spencer说，“我们的研究表明，通过将这类处于临床开发阶段的新CDK2抑制剂与一种已经存在的药物组合使用，你有可能获得更有效的治疗。它还揭示了关于细胞周期如何与稳健性联系在一起以及为何如此多肿瘤在遭遇旨在阻止增殖的药物时能够增殖的非常基本的理解。”

6.Cell：章鱼利用RNA编辑通过改变蛋白功能来快速响应温度变化

doi:10.1016/j.cell.2023.05.004

每个细胞都有一套有限的指令编码在它的DNA中。然而，生命是不可预测的，当环境发生变化时，动物需要灵活性来适应。在一项新的研究中，来自美国海洋生物学实验室和以色列特拉维夫大学等研究机构的研究人员发现章鱼和它们的近亲通过修补它们的RNA--一种传递DNA指令的中间分子，优雅地适应环境挑战。相关研究结果发表在2023年6月8日的Cell期刊上，论文标题为“Temperature-dependent RNA editing in octopus extensively recodes the neural proteome”。

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来源: 生物谷

图片来自Cell, 2023, doi:10.1016/j.cell.2023.05.004。

在这项新的研究中，海洋生物学实验室的Joshua Rosenthal及其同事们记录了当属于头足类动物的章鱼、鱿鱼和墨鱼适应冷水时，RNA编辑大量增加。在让章鱼的水箱冷却后，他们在这些动物的神经系统的13000多个RNA位点处观察到蛋白改变活性增加了。在其中的两种情形中，他们研究了更换RNA分子代码中的一个碱基如何改变神经元产生的蛋白的功能。

根据Rosenthal的说法，通过RNA编辑，这些头足类动物似乎找到了一种调整其自身生理结构的独特方式。他说，“我们习惯于认为所有的生物从出生起就被预设了某一套指令。正如我们在头足类动物中显示的那样，环境可以影响遗传信息的想法是一种新的概念。”

7.Cell：新研究发现线虫需要睡觉来巩固它们的气味记忆

doi:10.1016/j.cell.2023.05.006

在一项新的研究中，来自美国加州大学旧金山分校、圣何塞州立大学和宾夕法尼亚大学的研究人员研究了线虫及其在睡眠期间的突触行为，发现线虫需要睡眠，以便通过重新映射嗅觉突触来巩固它们的气味记忆。相关研究结果于2023年6月2日在线发表在Cell期刊上，论文标题为“Sleep is required to consolidate odor memory and remodel olfactory synapses”。

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来源: 生物谷

图片来自Cell, 2023, doi:10.1016/j.cell.2023.05.006。

先前的研究已表明，动物睡眠的原因之一是为了帮助大脑巩固长期记忆。先前的研究还表明，这类记忆是储存在大脑的突触中，而不是由神经元储存。在这项新的研究中，这些作者将他们的研究工作集中在线虫身上，因为它们的大脑结构已被绘制出来---它们只有302个神经元。他们想要观察它们在睡眠期间的突触变化。但首先，他们必须找出一种方法来确定线虫何时在睡觉。

对多种线虫样本的仔细研究表明，线虫的睡眠可以通过某种身体姿态来识别。一旦确定了这一点，这些作者就训练多种线虫样本忽略丁酮（butanone）的气味，它们通常认为丁酮的气味非常有吸引力。他们通过在多个场合移除与该气味相关的食物来做到这一点。他们随后仔细观察了线虫的大脑，特别是一个叫做AWC的神经元，该神经元已知与另一个叫做AIY的神经元沟通。

他们发现，训练线虫忽略丁酮导致AWC和AIY神经元之间的突触减少。他们随后训练其他线虫避开丁酮的气味，但这次不允许它们小睡。这一次，他们发现这些神经元之间的突触联系更加紧密---他们还发现，这些线虫并不记得它们接受过的训练。

8.Cell：新研究揭示NLRP12作为感染、炎症和溶血性疾病的新药物靶标

doi:10.1016/j.cell.2023.05.005

感染和其他疾病可导致红细胞破裂，释放出氧结合分子血红蛋白，血红蛋白随后可分解成血红素。游离血红素可引起严重的炎症和器官损伤，导致发病和死亡。

在一项新的研究中，来自美国圣犹达儿童研究医院的研究人员发现在应对血红素以及伴随的其他细胞损伤或感染时，一种先天免疫模式识别受体---NLRP12---是负责诱导炎症细胞死亡和病理的关键分子。这一发现为预防某些疾病的发病率提供了一种新的潜在药物靶标。相关研究结果于2023年6月1日在线发表在Cell期刊上，论文标题为“NLRP12-PANoptosome activates PANoptosis and pathology in response to heme and PAMPs”。

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来源: 生物谷

图片来自Cell, 2023, doi:10.1016/j.cell.2023.05.005。

许多感染性和炎症性疾病，包括疟疾或SARS-CoV-2病毒感染和镰状细胞病，会导致红细胞破裂并泄露其内容物。这个过程，即溶血，释放了血红蛋白。在血液中，血红蛋白随后分解成一种叫做血红素的物质。

论文共同第一作者、圣犹达儿童研究医院免疫学系博士Balamurugan Sundaram说，“几十年来，科学家们已知道溶血会导致器官损伤，但驱动这种疾病病理的内在机制并不清楚。”这些作者在先天免疫传感蛋白NLRP12中找到了答案。

论文通讯作者、圣犹达儿童研究医院免疫学系副主任Thirumala-Devi Kanneganti博士说，“NLR家族包含的蛋白多年来一直被认为在疾病中起着重要的作用，但这些蛋白中的许多对在激活后作出什么反应以及这如何影响病理学，一直是个谜。经过长达20年寻找NLRP12的触发因子和它所激活的特定信号途径，我们发现血红素与感染或细胞损伤的特定成分相结合，可以激活NLRP12以推动炎症细胞死亡和疾病的病理变化。”

9.Cell：揭示C5a蛋白在身体对抗系统性真菌感染的先天能力方面至关重要

doi:10.1016/j.cell.2023.04.031

主要的真菌感染在全球范围内变得越来越普遍，真菌增加的一个意想不到的现象是由于某些免疫疗法和小分子激酶抑制剂的并发症而导致的威胁生命的感染。在一项新的研究中，来自美国国家过敏与传染病研究所（NIAID）等研究机构的研究人员确定了这种现象的具体机制原因，这可能会在未来拯救生命。相关研究结果近期发表在Cell期刊上，论文标题为“C5a-licensed phagocytes drive sterilizing immunity during systemic fungal infection”。

论文第一作者Jigar Desai博士说，“我们的发现将帮助临床医生了解这些威胁生命的感染是如何出现的。这些发现可能有助于医生和科学家们更好地了解一些此类病例是如何产生的---以及如何避免它们。”

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来源: 生物谷

图片来自Cell, 2023, doi:10.1016/j.cell.2023.04.031。

这些作者确定了C5a蛋白，即补体途径的倒数第二个效应成分，是身体对抗系统性真菌感染的先天能力的关键。此外，他们还确定了增强的补体途径特征作为系统性念珠菌病（systemic candidiasis）的预测性生物标志物。通过使用动物模型、患者数据和血清，他们展示了C5a及其下游效应在对身体的免疫细胞，特别是中性粒细胞和巨噬细胞，在白念珠菌克服身体的自然防御能力时清除该真菌方面起着至关重要的作用。

10.Cell：我国科学家揭示芸薹属作物抵抗根肿病的新机制

doi:10.1016/j.cell.2023.05.023

在一项新的研究中，中国科学院遗传与发育生物研究所的陈宇航（Chen Yuhang）研究员和周俭民（Zhou Jianmin）研究员领导的一个研究团队展示了植物如何抵抗根肿病（clubroot），即一种威胁油菜等芸薹属作物生产力的主要根部疾病。他们发现了植物免疫的新机制，并有望为作物育种提供一条新途径。相关研究结果发表在2023年6月8日的Cell期刊上，论文标题为“WeiTsing, a pericycle-expressed ion channel, safeguards the stele to confer clubroot resistance”。

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来源: 生物谷

图片来自Cell, 2023, doi:10.1016/j.cell.2023.05.023。

在这项新的研究中，这些作者新发现的抗性基因WTS对所有测试的Pb分离株都有抵抗性，包括对现有抗性油菜品种有毒性的Pb分离株。因此，WTS是一个广谱抗性基因，为培育农作物的根肿病抗性提供了巨大的潜力。

WTS在没有病原体的情况下不表达。然而，当Pb感染时，WTS仅在柱鞘（pericycle）中被强烈诱导，其中柱鞘是围绕维管柱（stele）的一个关键的根细胞层。维管柱是根的圆柱形中央维管部分，包含关键组织，包括木质部和韧皮部，对营养物和水的运输至关重要。

在易受影响的植物中，Pb侵入并定植于维管柱，阻碍了营养物和水的运输。WTS在柱鞘中的表达可以激活植物的防御系统，防止Pb在维管柱上定植。因此，WTS确定了一种防御机制，在正确的地点和正确的时间被专门激活，以确保植物的正常生长和发育。