Cell杂志最受关注的五篇文章(7月)

【字体: 时间:2019年07月16日 来源:生物通

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生物通报道:Cell创刊于1974年,现已成为世界自然科学研究领域最著名的期刊之一,并陆续发行了十几种姊妹刊,在各自专业领域里均占据着举足轻重的地位。Cell以发表具有重要意义的原创性科研报告为主,许多生命科学领域最重要的发现都发表在Cell上。本月《Cell》前五名下载论文为:

DNA microscopy: Optics-free spatio-genetic imaging by a stand-alone chemical reaction

一组研究人员发明了一种非传统的成像方法,他们将其称为“DNA显微镜(DNA microscopy,生物通注)”,研究人员利用这种技术确定了分子在样品中的相对位置,而不用于依赖光或任何类型的光学器件。

到目前为止,显微镜分为两大类。第一类是基于光学,比如光学显微镜就可以追溯到17世纪,依靠可见光来照亮样品。科学家们已经对这种方法感到不满,因此创造了超越可见光谱的技术,这些电子显微镜,荧光显微镜等都基于样品发射光子或电子的原理。

第二类是基于在显微镜定义下的位置解剖样品,然后,计算机程序将每个解剖的片段拼接成完整样本的完整图片。光学成像可以提供亚细胞结构和行为的复杂成像;基于解剖的显微镜可以为科学家提供遗传信息。

而这篇文章的研究人员想要发明一种一石二鸟的方法,一次性完成所有这些任务:拍摄细胞位置的图片,并拼出驱动它的特定基因序列。

这种组合对于研究遗传多样性细胞的科学家来说非常重要。 免疫系统就是一个很好的例子。免疫细胞基因可以变化为单个DNA字母。每种变异都可以引发细胞产生的抗体类型的显著变化。当组织内细胞发生变化,也可以改变抗体的产生。

如果只能完成其中一项,那就只能得到部分图片。

捕获一个完整的细胞图片并不需要昂贵的显微镜或许多花哨的设备。最开始你只需要一个标本和一个移液器。

对于这项技术来说,研究人员首先将实验室中培养的细胞固定在反应室中。然后,他们添加了各种各样的DNA条形码,它们“挂在”RNA分子上,给每个分子一个独特的标签。接下来,研究人员利用化学反应来制作每个标记分子的副本,形成一个从每个分子的原始位置扩展出来的不断增长的分子堆。

“可以把每一个分子想象成一个向外发送信号的无线电塔,”Weinstein说。

最终,标记的分子与其他标记的分子碰撞,迫使它们成对连接在一起。彼此靠近的分子更容易碰撞,产生更多的DNA对。张锋《Cell》最新技术开启新时代:DNA显微镜

Pervasive Chromatin-RNA Binding Protein Interactions Enable RNA-based Regulation of Transcription

研究人员通过ChIP-seq(染色质免疫沉淀测序)技术大规模检测了63个有细胞核定位的RNA结合蛋白与染色质的相互作用,发现约60%的RNA结合蛋白与染色质有广泛的相互作用,并且富集在基因启动子和增强子区域。

更令人惊讶的是,该研究虽然只检测了人类基因组中一小部分的RNA结合蛋白(<5%),却发现约40%的活性染色质区域和约70%的活性启动子区域都存在RNA结合蛋白的特异性结合,这提示RNA结合蛋白在染色质水平存在着广泛的功能和作用。随后,通过GRO-seq(Global Nuclear Run-On测序)实验证实,部分RNA结合蛋白具有强烈的转录调控作用。

这项研究还重点阐释了RNA结合蛋白RBM25通过调控转录因子YY1与染色质的结合,进而调控染色质结构和转录激活与抑制的分子机制,全面展示了特异性的RNA结合蛋白介导的转录因子YY1的功能调控作用。整个发现提出了RNA结合蛋白作为转录因子或辅助因子调控转录的新概念,也开辟了RNA结合蛋白功能研究的新领域。

Controlling Visually Guided Behavior by Holographic Recalling of Cortical Ensembles

哥伦比亚大学的神经科学家团队首次通过激活小鼠视觉皮层中的一些神经元来控制小鼠的视觉行为。
在这篇文章中,研究人员证明了特定的神经元集群在行为中具有因果作用。他们利用新开发的光学分析工具,识别进行视觉任务的小鼠皮质集群(cortical ensemble,生物通注),还通过高分辨率光遗传学以单细胞精确度同时靶向靶标神经元,控制小鼠的行为。结果表明与任务相关的神经元的精确激活提高了动物表现,与任务无关的其他神经元的激活降低了行为表现。

“这是几十年来我们实验室完成的最激动人心的工作,因为这证明皮质集群是行为的关键,我们可以通过控制它们,改变动物的行为表现,”文章通讯作者,哥伦比亚大学生物科学教授Rafael Yuste说, “此外,数据表明,神经元集群是视觉刺激的内部表征”。

这项研究可能在医学上有重要的应用。以单细胞精确度识别生理学相关的神经元集群可用于重新组织靶神经元之间的活动模式,重新编程错误的神经回路。

“要想将这些方法应用于患者,那还早,”文章一作,Luis Carrillo-Reid说,“但这项研究可能代表了精确重编程大脑的路线图。”

这项研究的主要采用了神经回路双光子钙成像和双光子光遗传学,这是Yuste当局断绝哦最初开发的用于光学读写神经元活动的方法。使用钙成像,人们可以跟踪哪些神经元在神经回路中发射,而使用光遗传学,可以随意激活神经元。此外,研究人员利用双光子激光也可以运行动物的大脑,以单细胞精度执行钙成像和光遗传学。

在这项研究中,研究人员给小鼠注射了病毒,从而能够观察到大脑中的神经元活动模式。他们还能够用光精确地操纵神经元活动。之后研究人员又将小鼠连接到双光子显微镜上,并让它们在小跑步机上跑步,观察它们。在两个星期的时间里,研究人员训练小鼠将视觉刺激与水关联起来,这样每当垂直条出现时它们会舔水。在小鼠学会将视觉刺激与舔这一动作相关联之后,研究人员确定了小鼠中对垂直条有反应的神经元组,并使用双光子激光重新激活了这些神经元。这种再激活让小鼠正常舔食的次数超过预期,甚至在没有任何视觉刺激的情况下诱发了这个动作,就好像小鼠出现了看到垂直条形 幻觉。研究人员甚至通过仅刺激两个神经元来触发舔食行为,只要它们是与行为相关的特定神经元组。

Fc Glycan-Mediated Regulation of Placental Antibody Transfer

Fc Characteristics Mediate Selective Placental Transfer of IgG in HIV-Infected Women

想象一下,如果孕妇体内疫苗诱导的免疫力可以转移给她的孩子,这多么好啊。来自杜克大学的一组研究人员发现了一种细胞过程,可以开发更安全,更有效的疫苗,保护孕妇及其新生儿免受危险感染。

文章通讯作者,杜克人类疫苗研究所Sallie Permar等人描述了一种先前未确定的抗体从母体转移到胎儿的途径,利用这一过程,可以控制何时以及如何共享某些抗体的潜在途径。

虽然针对某些疾病(如麻疹)的母体抗体可以从母亲转移到婴儿,但其他严重疾病如,脊髓灰质炎的抗体转移效率较低。

“科学家们一直假设认为有一些母体抗体类型可以通过胎盘传递给胎儿,因此通过这种途径,所有抗体都有相同的机会转移到胎儿体内,”Permar说。

 “我们的研究发现抗体上似乎有一个代码,可以确定哪种抗体能更有效地转移到胎盘中。”

Permar等人分析了美国和非洲马拉维共和国感染艾滋病毒的孕妇群体,研究表明,艾滋病毒会抑制抗体转移到胎儿体内(包括艾滋病病毒抗体)。这就为探索鲜为人知的分子机制提供了一个独特的研究环境,比如许多常见病原体,包括破伤风,百日咳,流行性感冒等的感染机制。

结果研究人员发现了一种与胎盘受体相互作用的糖分子,这种相互作用之前并未被认为与抗体转移过程有关。

研究显示,胎盘优先筛出并向胎儿提供激活自然杀伤(NK)细胞的抗体,这些细胞是先天免疫系统的关键元素。虽然几种重要的免疫细胞在新生儿中并不成熟,无法提供有效保护,但NK细胞是生命最初几天中最丰富和功能最强的免疫细胞。

研究小组发现了类似的偏爱胎盘转移NK激活抗体对抗流感和呼吸道合胞病毒,这是一种常见的儿童疾病,并且研究人员还发现了似乎可以调节胎盘选择的抗体特征,这些特征可能被纳入下一代疫苗中。

“我们已经证明,跨胎盘的抗体转移效率受到差异性调节,”Permar说,“这可以用于改善各种传染病疫苗的设计,改善胎盘抗体向胎儿的转移。”

“我们的研究结果提供了抗体如何通过胎盘到达胎儿的路线图,我们希望这一研究结果能够用于开发抗体疗法,保护婴儿早年免受传染病的侵害。”

同期Cell杂志上,另外一个研究组也发文证实了健康女性中存在类似的机制。

Correlated Neural Activity Across the Brains of Socially Interacting Bats

Correlated Neural Activity and Encoding of Behavior Across Brains of Socially Interacting Animals

Cell杂志上发表的两篇论文分别表明埃及果蝠和小鼠可以在社交活动中会“同步”脑电波。

之前的研究表明人类对话时,双方大脑中的神经活动会同步,这是由于一个人从另一个人获取社交线索,并基于这些线索调节他们自己的行为。这些研究现在表明,当动物参与自然的社会交流中,也会发生类似的事情。

其中一篇论文的作者,加州大学伯克利分校生物工程系的Michael Yartsev表示,“动物模型对于在人体通常无法研究的水平上分析大脑现象非常重要。由于果蝠是一种群居性动物,自然生活在高度复杂的社会环境中,因此它们是解决社会行为及其潜在神经机制的重要科学问题的绝佳模式。”

另外一篇论文的作者,加州大学洛杉矶分校生物化学与神经生物学系的Weizhe Hong则认为,“如果你认为大脑就像一个黑盒子,它接收输入,提供输出作为回应,那么研究社交互动就像试图理解一个盒子的输出如何为另一个盒子提供输入,以及这两个盒子如何一起工作,创造一个循环的。我们对小鼠中的研究使我们能够在这些黑匣子内部进行观察,更好地了解它们的内部机器。”

以前针对人体神经活动在社交互动过程中是如何变得同步的研究,是通过包括fMRI和EEG在内的技术,这些技术以相对粗略的空间和时间分辨率观察大脑活动。这些研究发现,当两个人互动时,他们大脑中的结构会同时解码,并响应来自另一个人的信号。

最新研究在人体难以获得的细节水平上观察神经活动,探索这种现象背后的详细神经机制。

伯克利分校的团队通过各种自然社交互动(例如梳理,交配和战斗)监控果蝠,他们利用高速摄影机每次约100分钟拍摄,仔细描述了它们的特定行为和相互作用。

研究人员采用了一种称为无线电生理学( wireless electrophysiology,生物通注)的技术,同时记录蝙蝠前额皮质中大脑活动的各种神经信号,从大脑振荡到个体神经元和局部神经群。他们观察到不同蝙蝠的大脑变得高度相关,并且这种相关性在大脑振荡的高频范围内最为明显。此外,个体蝙蝠的大脑之间的相关性延伸到多个社会交互的时间尺度,从几秒到几小时不等。值得注意的是,通过观察相关程度,他们可以预测蝙蝠是否会发起社交互动。

洛杉矶分校的团队采取了不同的策略:他们使用一种称为微型内窥镜(miniaturized microendoscope,生物通注)的设备来监测社交场合中小鼠的大脑活动。

这些仅重2克的微型装置安装在小鼠身上,让研究人员可以同时监测两只动物的数百个神经元的活动。他们发现小鼠在自然社交互动中也表现出大脑间的相关性,动物之间可以自由地相互作用。此外,对数以千计的单个神经元的分析,研究人员对动物的决策过程有了前所未有的理解,并且揭示了不同的神经元组合出现了间脑相关性,这些神经元编码了个体自己的行为和社会伙伴的行为。

社交互动通常伴有社会层级的出现,通过在竞争性社交互动中对两只小鼠进行成像,研究人员发现优势动物的行为比下属动物的行为更加强烈地同步。值得注意的是,他们还发现两个大脑之间的相关程度可以预测小鼠对彼此行为的反应,以及它们之间发展的支配关系。

(生物通)




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